SONIC
مدیر بخش برق و الکترونیک (SONIC)
پرسنل مدیریت
مدیر انجمن
استاد و مشاور الکترونیک
عضو افتخاری گروه الکترونیک
به شدت دوست داشتنی
مدیر انجمن
- Oct 14, 2021
- 1,937
- 4,537
آمپلی فایرها با توجه به ساختار و ویژگی های عملکردشان به کلاس هایی طبقه بندی می شوند.
مقدمه:
همه تقویت کننده ها یکسان نیستند و تمایز واضحی بین نحوه پیکربندی و عملکرد مراحل خروجی آنها وجود دارد. ویژگی‌های اصلی یک تقویت‌کننده ایده‌آل، خطی بودن، افزایش سیگنال، راندمان و توان خروجی است، اما در تقویت‌کننده‌های دنیای واقعی همیشه بین این ویژگی‌های مختلف یک مبادله وجود دارد.
به طور کلی، تقویت کننده های سیگنال یا قدرت بزرگ در مراحل خروجی سیستم های تقویت کننده صوتی برای هدایت بار بلندگو استفاده می شود. یک بلندگوی معمولی دارای امپدانس بین 4Ω تا 8Ω است، بنابراین یک تقویت کننده قدرت باید بتواند جریان های پیک بالایی را که برای راه اندازی اسپیکر امپدانس پایین لازم است تامین کند.
یکی از روش‌هایی که برای تشخیص ویژگی‌های الکتریکی انواع مختلف تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شود، «کلاس» است و به این ترتیب تقویت‌کننده‌ها بر اساس پیکربندی مدار و روش کارشان طبقه‌بندی می‌شوند. سپس کلاس های تقویت کننده اصطلاحی است که برای تمایز بین انواع مختلف تقویت کننده استفاده می شود.
کلاس‌های تقویت‌کننده مقدار سیگنال خروجی را نشان می‌دهند که در مدار تقویت‌کننده در طول یک سیکل عملکرد، زمانی که توسط یک سیگنال ورودی سینوسی برانگیخته می‌شود، تغییر می‌کند. طبقه بندی تقویت کننده ها از عملکرد کاملاً خطی (برای استفاده در تقویت سیگنال با دقت بالا) با راندمان بسیار پایین تا عملکرد کاملاً غیر خطی (که در آن بازتولید سیگنال وفادار چندان مهم نیست) اما با راندمان بسیار بالاتر است. سازش بین این دو هستند.
کلاس های تقویت کننده عمدتاً به دو گروه اصلی تقسیم می شوند. اولی تقویت‌کننده‌های زاویه هدایت کلاسیک کنترل‌شده هستند که کلاس‌های تقویت‌کننده رایج‌تر A، B، AB و C را تشکیل می‌دهند، که با طول حالت رسانایی آنها در بخشی از شکل موج خروجی تعریف می‌شوند، به طوری که عملکرد ترانزیستور مرحله خروجی قرار دارد. جایی بین "کاملا روشن" و "کاملا خاموش" بودن.
مجموعه دوم تقویت‌کننده‌ها کلاس‌های تقویت‌کننده جدیدتر به‌اصطلاح «سوئیچینگ» D، E، F، G، S، T و غیره هستند که از مدارهای دیجیتال و مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای جابجایی دائمی سیگنال بین «کاملاً» استفاده می‌کنند. ON" و "fully-OFF" خروجی را به شدت به مناطق اشباع و قطع ترانزیستور هدایت می کند.
متداول‌ترین کلاس‌های تقویت‌کننده‌هایی هستند که به‌عنوان تقویت‌کننده‌های صوتی استفاده می‌شوند، عمدتاً کلاس A، B، AB و C و برای ساده‌تر کردن همه چیز، این نوع کلاس‌های تقویت‌کننده هستند که در اینجا با جزئیات بیشتر بررسی می‌کنیم.
تقویت کننده کلاس A
تقویت‌کننده‌های کلاس A رایج‌ترین نوع توپولوژی تقویت‌کننده هستند زیرا فقط از یک ترانزیستور سوئیچینگ خروجی (دو قطبی، FET، IGBT و غیره) در طراحی تقویت‌کننده خود استفاده می‌کنند. این ترانزیستور تک خروجی در اطراف نقطه Q در وسط خط بار خود بایاس می شود و بنابراین هرگز به مناطق قطع یا اشباع خود هدایت نمی شود بنابراین به آن اجازه می دهد جریان را در تمام 360 درجه سیکل ورودی هدایت کند. سپس ترانزیستور خروجی یک توپولوژی کلاس A هرگز خاموش نمی شود که یکی از معایب اصلی آن است.
تقویت کننده های کلاس "A" به دلیل خطی بودن عالی، بهره بالا و سطوح اعوجاج سیگنال کم در صورت طراحی صحیح، بهترین کلاس طراحی تقویت کننده در نظر گرفته می شوند. اگرچه به دلیل ملاحظات منبع تغذیه حرارتی به ندرت در کاربردهای تقویت کننده با توان بالا استفاده می شود، تقویت کننده های کلاس A احتمالاً بهترین صدا در بین تمام کلاس های تقویت کننده ذکر شده در اینجا هستند و به همین ترتیب در طرح های تقویت کننده صوتی با کیفیت بالا استفاده می شوند.
برای دستیابی به خطی بودن و بهره بالا، مرحله خروجی تقویت کننده کلاس A همیشه در حالت "روشن" (رسانا) است. سپس برای اینکه یک تقویت کننده به عنوان "کلاس A" طبقه بندی شود، جریان بیکار سیگنال صفر در مرحله خروجی باید برابر یا بیشتر از حداکثر جریان بار (معمولاً یک بلندگو) مورد نیاز برای تولید بزرگترین سیگنال خروجی باشد.
از آنجایی که تقویت کننده کلاس A در بخش خطی منحنی های مشخصه خود کار می کند، دستگاه تک خروجی از طریق 360 درجه کامل شکل موج خروجی هدایت می شود. سپس تقویت کننده کلاس A معادل یک منبع جریان است.
از آنجایی که یک تقویت کننده کلاس A در ناحیه خطی کار می کند، ولتاژ بایاس DC پایه (یا گیت) ترانزیستور باید به درستی انتخاب شود تا از عملکرد صحیح و اعوجاج کم اطمینان حاصل شود. با این حال، از آنجایی که دستگاه خروجی همیشه "روشن" است، دائماً جریانی را حمل می کند که نشان دهنده اتلاف مداوم توان در تقویت کننده است.
به دلیل کاهش مداوم توان، تقویت‌کننده‌های کلاس A مقادیر فوق‌العاده‌ای گرما ایجاد می‌کنند که به راندمان بسیار پایین آنها در حدود 30 درصد می‌افزاید، و آنها را برای تقویت‌کننده‌های با توان بالا غیرعملی می‌سازد. همچنین به دلیل جریان بیکار زیاد آمپلی فایر، منبع تغذیه باید متناسب با آن اندازه باشد و به خوبی فیلتر شود تا از هر گونه صدای و صدای آمپلی فایر جلوگیری شود. بنابراین، به دلیل راندمان پایین و مشکلات بیش از حد گرمایش تقویت کننده های کلاس A، کلاس های تقویت کننده کارآمدتری ایجاد شده است.
تقویت کننده کلاس B
تقویت کننده های کلاس B به عنوان راه حلی برای مشکلات راندمان و گرمایش مرتبط با تقویت کننده کلاس A قبلی اختراع شدند. تقویت‌کننده کلاس B پایه از دو ترانزیستور مکمل یا دوقطبی FET برای هر نیمه شکل موج استفاده می‌کند که مرحله خروجی آن در آرایشی از نوع "فشار کش" پیکربندی شده است، به طوری که هر دستگاه ترانزیستور فقط نیمی از شکل موج خروجی را تقویت می‌کند.
در تقویت کننده کلاس B، جریان بایاس پایه DC وجود ندارد، زیرا جریان ساکن آن صفر است، بنابراین توان dc کم است و بنابراین راندمان آن بسیار بیشتر از تقویت کننده کلاس A است. با این حال، هزینه پرداخت شده برای بهبود کارایی در خطی بودن دستگاه سوئیچینگ است.
هنگامی که سیگنال ورودی مثبت می شود، ترانزیستور بایاس مثبت هدایت می شود در حالی که ترانزیستور منفی خاموش است. به همین ترتیب، هنگامی که سیگنال ورودی منفی می شود، ترانزیستور مثبت خاموش می شود در حالی که ترانزیستور بایاس منفی روشن می شود و بخش منفی سیگنال را هدایت می کند. بنابراین ترانزیستور فقط نیمی از زمان را هدایت می کند، چه در نیم سیکل مثبت یا منفی سیگنال ورودی.
سپس می‌توانیم ببینیم که هر دستگاه ترانزیستوری تقویت‌کننده کلاس B تنها از طریق یک نیمه یا 180 درجه شکل موج خروجی در تناوب زمانی دقیق هدایت می‌کند، اما از آنجایی که مرحله خروجی دارای دستگاه‌هایی برای هر دو نیمه شکل موج سیگنال است، دو نیمه با هم ترکیب می‌شوند. برای تولید شکل موج خروجی کامل خطی.
این طراحی تقویت‌کننده فشار-کش به وضوح کارآمدتر از کلاس A است، در حدود 50٪، اما مشکل طراحی تقویت‌کننده کلاس B این است که می‌تواند به دلیل باند مرده ترانزیستور، اعوجاج در نقطه عبور از صفر شکل موج ایجاد کند. ولتاژ پایه ورودی از -0.7V تا +0.7.
از آموزش ترانزیستور به یاد داریم که ولتاژ پایه-امیتر حدود 0.7 ولت است تا ترانزیستور دوقطبی شروع به هدایت کند. سپس در یک تقویت‌کننده کلاس B، ترانزیستور خروجی تا زمانی که از این ولتاژ فراتر نرود، به حالت «روشن» بایاس نمی‌شود.
این بدان معنی است که بخشی از شکل موج که در این پنجره 0.7 ولتی قرار می گیرد به طور دقیق بازتولید نمی شود و تقویت کننده کلاس B برای کاربردهای تقویت کننده صوتی دقیق مناسب نیست.
برای غلبه بر این اعوجاج تقاطع صفر (همچنین به عنوان اعوجاج متقاطع شناخته می شود) تقویت کننده های کلاس AB توسعه یافتند.
تقویت کننده کلاس AB
همانطور که از نام آن پیداست، تقویت کننده کلاس AB ترکیبی از تقویت کننده های نوع "Class A" و "Class B" است که در بالا به آنها نگاه کردیم. طبقه بندی AB آمپلی فایر در حال حاضر یکی از رایج ترین انواع طراحی تقویت کننده قدرت صوتی است. تقویت‌کننده کلاس AB نوعی تقویت‌کننده کلاس B است که در بالا توضیح داده شد، با این تفاوت که هر دو دستگاه اجازه دارند به طور همزمان در اطراف نقطه تقاطع شکل موج حرکت کنند و مشکلات اعوجاج متقاطع تقویت‌کننده کلاس B قبلی را حذف کنند.
این دو ترانزیستور دارای ولتاژ بایاس بسیار کمی هستند، معمولاً در 5 تا 10 درصد جریان ساکن برای بایاس ترانزیستورها درست بالای نقطه قطع آن. سپس دستگاه رسانا، یا دوقطبی از FET، برای بیش از یک نیم سیکل "روشن" خواهد بود، اما بسیار کمتر از یک سیکل کامل سیگنال ورودی. بنابراین، در طراحی تقویت‌کننده کلاس AB، هر یک از ترانزیستورهای فشار کش کمی بیشتر از نیم سیکل رسانش در کلاس B، اما بسیار کمتر از چرخه کامل رسانش کلاس A هستند.
به عبارت دیگر، زاویه هدایت یک تقویت کننده کلاس AB بسته به نقطه بایاس انتخاب شده همانطور که نشان داده شده است، چیزی بین 180 و 360 درجه است.
مزیت این ولتاژ بایاس کوچک، ارائه شده توسط دیودها یا مقاومت های سری، این است که بر اعوجاج متقاطع ایجاد شده توسط ویژگی های تقویت کننده کلاس B، بدون ناکارآمدی طراحی تقویت کننده کلاس A، غلبه می شود. بنابراین تقویت کننده کلاس AB یک سازش خوب بین کلاس A و کلاس B از نظر بازده و خطی است که بازده تبدیل به حدود 50٪ تا 60٪ می رسد.
تقویت کننده کلاس C
طراحی تقویت کننده کلاس C دارای بیشترین بازده اما ضعیف ترین خطی بودن کلاس های تقویت کننده های ذکر شده در اینجا است. کلاس های قبلی، A، B و AB تقویت کننده های خطی در نظر گرفته می شوند، زیرا دامنه و فاز سیگنال های خروجی به صورت خطی با دامنه و فاز سیگنال های ورودی مرتبط هستند.
با این حال، تقویت‌کننده کلاس C به شدت بایاس می‌شود به طوری که جریان خروجی برای بیش از نیمی از یک سیکل سیگنال سینوسی ورودی با ترانزیستور بیکار در نقطه قطع آن صفر است. به عبارت دیگر، زاویه هدایت ترانزیستور به طور قابل توجهی کمتر از 180 درجه است و به طور کلی در منطقه 90 درجه است.
در حالی که این شکل از بایاسینگ ترانزیستور بازده بسیار بهبود یافته ای در حدود 80 درصد به تقویت کننده می دهد، اعوجاج بسیار شدیدی در سیگنال خروجی ایجاد می کند. بنابراین، تقویت کننده های کلاس C برای استفاده به عنوان تقویت کننده صوتی مناسب نیستند.
تقویت‌کننده‌های کلاس C به دلیل اعوجاج شدید صوتی، معمولاً در نوسان‌گرهای موج سینوسی فرکانس بالا و انواع خاصی از تقویت‌کننده‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌شوند، جایی که پالس‌های جریان تولید شده در خروجی تقویت‌کننده‌ها را می‌توان به امواج سینوسی کامل با یک فرکانس خاص تبدیل کرد. استفاده از مدارهای تشدید ال سی در مدار جمع کننده آن.
خلاصه کلاس های تقویت کننده
سپس دیدیم که نقطه کار DC ساکن (نقطه Q) یک تقویت کننده طبقه بندی تقویت کننده را تعیین می کند. با تنظیم موقعیت نقطه Q در نیمه راه روی خط بار منحنی ویژگی های تقویت کننده، تقویت کننده به عنوان یک تقویت کننده کلاس A عمل می کند. با حرکت دادن نقطه Q به پایین، خط بار تقویت کننده را به تقویت کننده کلاس AB، B یا C تغییر می دهد.
سپس کلاس عملکرد تقویت کننده با توجه به نقطه کار DC آن را می توان به صورت زیر ارائه کرد:
کلاس های تقویت کننده و راندمان ( بازده )
علاوه بر تقویت‌کننده‌های صوتی، تعدادی کلاس تقویت‌کننده با راندمان بالا در رابطه با طرح‌های تقویت‌کننده سوئیچینگ وجود دارد که از تکنیک‌های مختلف سوئیچینگ برای کاهش تلفات برق و افزایش بازده استفاده می‌کنند. برخی از طرح‌های کلاس تقویت‌کننده فهرست‌شده در زیر از تشدیدکننده‌های RLC یا ولتاژهای منبع تغذیه متعدد برای کاهش تلفات برق استفاده می‌کنند، یا از نوع تقویت‌کننده‌های دیجیتال DSP (پردازش سیگنال دیجیتال) هستند که از تکنیک‌های سوئیچینگ مدولاسیون عرض پالس (PWM) استفاده می‌کنند.
سایر کلاس های تقویت کننده رایج
تقویت کننده کلاس D
تقویت کننده صوتی کلاس D اساساً یک تقویت کننده سوئیچینگ غیر خطی یا تقویت کننده PWM است. تقویت‌کننده‌های کلاس D از نظر تئوری می‌توانند به راندمان 100% برسند، زیرا هیچ دوره‌ای در طول چرخه وجود ندارد که شکل موج ولتاژ و جریان با هم همپوشانی داشته باشند زیرا جریان فقط از طریق ترانزیستور روشن کشیده می‌شود.
تقویت کننده کلاس F
تقویت کننده های کلاس F با استفاده از تشدید کننده های هارمونیک در شبکه خروجی برای شکل دادن به شکل موج خروجی به شکل موج مربعی، هم کارایی و هم خروجی را افزایش می دهند. تقویت کننده های کلاس F در صورت استفاده از تنظیم هارمونیک بی نهایت قادر به بازدهی بالای بیش از 90 درصد هستند.
تقویت کننده کلاس G
کلاس G پیشرفت هایی را در طراحی تقویت کننده کلاس پایه AB ارائه می دهد. کلاس G از چندین ریل منبع تغذیه با ولتاژهای مختلف استفاده می کند و با تغییر سیگنال ورودی به طور خودکار بین این ریل های تغذیه سوئیچ می کند. این سوئیچینگ ثابت باعث کاهش میانگین مصرف برق و در نتیجه تلفات برق ناشی از گرمای هدر می شود.
تقویت‌کننده کلاس I
تقویت‌کننده کلاس I دارای دو مجموعه از دستگاه‌های سوئیچینگ خروجی مکمل است که در یک پیکربندی فشار کش موازی با هر دو مجموعه دستگاه سوئیچینگ از یک شکل موج ورودی نمونه‌برداری می‌کنند. یک دستگاه نیمه مثبت شکل موج را سوئیچ می کند، در حالی که دیگری نیمه منفی را مشابه تقویت کننده کلاس B سوئیچ می کند. بدون اعمال سیگنال ورودی، یا زمانی که یک سیگنال به نقطه عبور صفر می رسد، دستگاه های سوئیچینگ همزمان با چرخه کاری PWM 50% روشن و خاموش می شوند که هر سیگنال فرکانس بالا را لغو می کند.
برای تولید نیمه مثبت سیگنال خروجی، خروجی دستگاه سوئیچینگ مثبت در چرخه وظیفه افزایش می یابد در حالی که دستگاه سوئیچینگ منفی به همان میزان کاهش می یابد و بالعکس. گفته می‌شود که دو جریان سیگنال سوئیچینگ در خروجی به هم متصل می‌شوند و به تقویت‌کننده کلاس I به نام «تقویت‌کننده PWM interleaved» داده می‌شود که در فرکانس‌های سوئیچینگ بیش از 250 کیلوهرتز کار می‌کند.
تقویت کننده کلاس S
تقویت کننده قدرت کلاس S یک تقویت کننده حالت سوئیچینگ غیر خطی است که در عملکرد مشابه تقویت کننده کلاس D است. تقویت‌کننده کلاس S سیگنال‌های ورودی آنالوگ را توسط یک مدولاتور دلتا سیگما به پالس‌های موج مربعی دیجیتال تبدیل می‌کند و آنها را تقویت می‌کند تا قدرت خروجی را قبل از اینکه در نهایت توسط فیلتر باند گذر دمدوله شود، افزایش دهد. از آنجایی که سیگنال دیجیتال این تقویت کننده سوئیچینگ همیشه یا به طور کامل "روشن" یا "خاموش" است (از لحاظ نظری اتلاف توان صفر)، بازدهی به 100٪ امکان پذیر است.
تقویت کننده کلاس T
تقویت کننده کلاس T نوع دیگری از طراحی تقویت کننده سوئیچینگ دیجیتال است. تقویت‌کننده‌های کلاس T به دلیل وجود تراشه‌های پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) و تقویت‌کننده‌های صدای فراگیر چند کاناله، این روزها به عنوان یک طراحی تقویت‌کننده صوتی محبوب‌تر شده‌اند، زیرا سیگنال‌های آنالوگ را به سیگنال‌های مدوله‌شده با عرض پالس دیجیتال (PWM) تبدیل می‌کنند. تقویت راندمان تقویت کننده ها را افزایش می دهد. طرح‌های تقویت‌کننده کلاس T هم سطوح سیگنال اعوجاج کم تقویت‌کننده کلاس AB و هم راندمان توان تقویت‌کننده کلاس D را ترکیب می‌کنند.
در اینجا تعدادی دسته‌بندی تقویت‌کننده‌ها از تقویت‌کننده‌های توان خطی تا تقویت‌کننده‌های سوئیچینگ غیرخطی را دیده‌ایم، و دیده‌ایم که چگونه یک کلاس تقویت‌کننده در طول خط بار تقویت‌کننده متفاوت است. تقویت کننده های کلاس AB، B و C را می توان بر حسب زاویه هدایت θ به صورت زیر تعریف کرد:
کلاس تقویت کننده بر اساس زاویه هدایت
مقدمه:
همه تقویت کننده ها یکسان نیستند و تمایز واضحی بین نحوه پیکربندی و عملکرد مراحل خروجی آنها وجود دارد. ویژگی‌های اصلی یک تقویت‌کننده ایده‌آل، خطی بودن، افزایش سیگنال، راندمان و توان خروجی است، اما در تقویت‌کننده‌های دنیای واقعی همیشه بین این ویژگی‌های مختلف یک مبادله وجود دارد.
به طور کلی، تقویت کننده های سیگنال یا قدرت بزرگ در مراحل خروجی سیستم های تقویت کننده صوتی برای هدایت بار بلندگو استفاده می شود. یک بلندگوی معمولی دارای امپدانس بین 4Ω تا 8Ω است، بنابراین یک تقویت کننده قدرت باید بتواند جریان های پیک بالایی را که برای راه اندازی اسپیکر امپدانس پایین لازم است تامین کند.
یکی از روش‌هایی که برای تشخیص ویژگی‌های الکتریکی انواع مختلف تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شود، «کلاس» است و به این ترتیب تقویت‌کننده‌ها بر اساس پیکربندی مدار و روش کارشان طبقه‌بندی می‌شوند. سپس کلاس های تقویت کننده اصطلاحی است که برای تمایز بین انواع مختلف تقویت کننده استفاده می شود.
کلاس‌های تقویت‌کننده مقدار سیگنال خروجی را نشان می‌دهند که در مدار تقویت‌کننده در طول یک سیکل عملکرد، زمانی که توسط یک سیگنال ورودی سینوسی برانگیخته می‌شود، تغییر می‌کند. طبقه بندی تقویت کننده ها از عملکرد کاملاً خطی (برای استفاده در تقویت سیگنال با دقت بالا) با راندمان بسیار پایین تا عملکرد کاملاً غیر خطی (که در آن بازتولید سیگنال وفادار چندان مهم نیست) اما با راندمان بسیار بالاتر است. سازش بین این دو هستند.
کلاس های تقویت کننده عمدتاً به دو گروه اصلی تقسیم می شوند. اولی تقویت‌کننده‌های زاویه هدایت کلاسیک کنترل‌شده هستند که کلاس‌های تقویت‌کننده رایج‌تر A، B، AB و C را تشکیل می‌دهند، که با طول حالت رسانایی آنها در بخشی از شکل موج خروجی تعریف می‌شوند، به طوری که عملکرد ترانزیستور مرحله خروجی قرار دارد. جایی بین "کاملا روشن" و "کاملا خاموش" بودن.
مجموعه دوم تقویت‌کننده‌ها کلاس‌های تقویت‌کننده جدیدتر به‌اصطلاح «سوئیچینگ» D، E، F، G، S، T و غیره هستند که از مدارهای دیجیتال و مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای جابجایی دائمی سیگنال بین «کاملاً» استفاده می‌کنند. ON" و "fully-OFF" خروجی را به شدت به مناطق اشباع و قطع ترانزیستور هدایت می کند.
متداول‌ترین کلاس‌های تقویت‌کننده‌هایی هستند که به‌عنوان تقویت‌کننده‌های صوتی استفاده می‌شوند، عمدتاً کلاس A، B، AB و C و برای ساده‌تر کردن همه چیز، این نوع کلاس‌های تقویت‌کننده هستند که در اینجا با جزئیات بیشتر بررسی می‌کنیم.
تقویت کننده کلاس A
تقویت‌کننده‌های کلاس A رایج‌ترین نوع توپولوژی تقویت‌کننده هستند زیرا فقط از یک ترانزیستور سوئیچینگ خروجی (دو قطبی، FET، IGBT و غیره) در طراحی تقویت‌کننده خود استفاده می‌کنند. این ترانزیستور تک خروجی در اطراف نقطه Q در وسط خط بار خود بایاس می شود و بنابراین هرگز به مناطق قطع یا اشباع خود هدایت نمی شود بنابراین به آن اجازه می دهد جریان را در تمام 360 درجه سیکل ورودی هدایت کند. سپس ترانزیستور خروجی یک توپولوژی کلاس A هرگز خاموش نمی شود که یکی از معایب اصلی آن است.
تقویت کننده های کلاس "A" به دلیل خطی بودن عالی، بهره بالا و سطوح اعوجاج سیگنال کم در صورت طراحی صحیح، بهترین کلاس طراحی تقویت کننده در نظر گرفته می شوند. اگرچه به دلیل ملاحظات منبع تغذیه حرارتی به ندرت در کاربردهای تقویت کننده با توان بالا استفاده می شود، تقویت کننده های کلاس A احتمالاً بهترین صدا در بین تمام کلاس های تقویت کننده ذکر شده در اینجا هستند و به همین ترتیب در طرح های تقویت کننده صوتی با کیفیت بالا استفاده می شوند.
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
برای دستیابی به خطی بودن و بهره بالا، مرحله خروجی تقویت کننده کلاس A همیشه در حالت "روشن" (رسانا) است. سپس برای اینکه یک تقویت کننده به عنوان "کلاس A" طبقه بندی شود، جریان بیکار سیگنال صفر در مرحله خروجی باید برابر یا بیشتر از حداکثر جریان بار (معمولاً یک بلندگو) مورد نیاز برای تولید بزرگترین سیگنال خروجی باشد.
از آنجایی که تقویت کننده کلاس A در بخش خطی منحنی های مشخصه خود کار می کند، دستگاه تک خروجی از طریق 360 درجه کامل شکل موج خروجی هدایت می شود. سپس تقویت کننده کلاس A معادل یک منبع جریان است.
از آنجایی که یک تقویت کننده کلاس A در ناحیه خطی کار می کند، ولتاژ بایاس DC پایه (یا گیت) ترانزیستور باید به درستی انتخاب شود تا از عملکرد صحیح و اعوجاج کم اطمینان حاصل شود. با این حال، از آنجایی که دستگاه خروجی همیشه "روشن" است، دائماً جریانی را حمل می کند که نشان دهنده اتلاف مداوم توان در تقویت کننده است.
به دلیل کاهش مداوم توان، تقویت‌کننده‌های کلاس A مقادیر فوق‌العاده‌ای گرما ایجاد می‌کنند که به راندمان بسیار پایین آنها در حدود 30 درصد می‌افزاید، و آنها را برای تقویت‌کننده‌های با توان بالا غیرعملی می‌سازد. همچنین به دلیل جریان بیکار زیاد آمپلی فایر، منبع تغذیه باید متناسب با آن اندازه باشد و به خوبی فیلتر شود تا از هر گونه صدای و صدای آمپلی فایر جلوگیری شود. بنابراین، به دلیل راندمان پایین و مشکلات بیش از حد گرمایش تقویت کننده های کلاس A، کلاس های تقویت کننده کارآمدتری ایجاد شده است.
تقویت کننده کلاس B
تقویت کننده های کلاس B به عنوان راه حلی برای مشکلات راندمان و گرمایش مرتبط با تقویت کننده کلاس A قبلی اختراع شدند. تقویت‌کننده کلاس B پایه از دو ترانزیستور مکمل یا دوقطبی FET برای هر نیمه شکل موج استفاده می‌کند که مرحله خروجی آن در آرایشی از نوع "فشار کش" پیکربندی شده است، به طوری که هر دستگاه ترانزیستور فقط نیمی از شکل موج خروجی را تقویت می‌کند.
در تقویت کننده کلاس B، جریان بایاس پایه DC وجود ندارد، زیرا جریان ساکن آن صفر است، بنابراین توان dc کم است و بنابراین راندمان آن بسیار بیشتر از تقویت کننده کلاس A است. با این حال، هزینه پرداخت شده برای بهبود کارایی در خطی بودن دستگاه سوئیچینگ است.
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
هنگامی که سیگنال ورودی مثبت می شود، ترانزیستور بایاس مثبت هدایت می شود در حالی که ترانزیستور منفی خاموش است. به همین ترتیب، هنگامی که سیگنال ورودی منفی می شود، ترانزیستور مثبت خاموش می شود در حالی که ترانزیستور بایاس منفی روشن می شود و بخش منفی سیگنال را هدایت می کند. بنابراین ترانزیستور فقط نیمی از زمان را هدایت می کند، چه در نیم سیکل مثبت یا منفی سیگنال ورودی.
سپس می‌توانیم ببینیم که هر دستگاه ترانزیستوری تقویت‌کننده کلاس B تنها از طریق یک نیمه یا 180 درجه شکل موج خروجی در تناوب زمانی دقیق هدایت می‌کند، اما از آنجایی که مرحله خروجی دارای دستگاه‌هایی برای هر دو نیمه شکل موج سیگنال است، دو نیمه با هم ترکیب می‌شوند. برای تولید شکل موج خروجی کامل خطی.
این طراحی تقویت‌کننده فشار-کش به وضوح کارآمدتر از کلاس A است، در حدود 50٪، اما مشکل طراحی تقویت‌کننده کلاس B این است که می‌تواند به دلیل باند مرده ترانزیستور، اعوجاج در نقطه عبور از صفر شکل موج ایجاد کند. ولتاژ پایه ورودی از -0.7V تا +0.7.
از آموزش ترانزیستور به یاد داریم که ولتاژ پایه-امیتر حدود 0.7 ولت است تا ترانزیستور دوقطبی شروع به هدایت کند. سپس در یک تقویت‌کننده کلاس B، ترانزیستور خروجی تا زمانی که از این ولتاژ فراتر نرود، به حالت «روشن» بایاس نمی‌شود.
این بدان معنی است که بخشی از شکل موج که در این پنجره 0.7 ولتی قرار می گیرد به طور دقیق بازتولید نمی شود و تقویت کننده کلاس B برای کاربردهای تقویت کننده صوتی دقیق مناسب نیست.
برای غلبه بر این اعوجاج تقاطع صفر (همچنین به عنوان اعوجاج متقاطع شناخته می شود) تقویت کننده های کلاس AB توسعه یافتند.
تقویت کننده کلاس AB
همانطور که از نام آن پیداست، تقویت کننده کلاس AB ترکیبی از تقویت کننده های نوع "Class A" و "Class B" است که در بالا به آنها نگاه کردیم. طبقه بندی AB آمپلی فایر در حال حاضر یکی از رایج ترین انواع طراحی تقویت کننده قدرت صوتی است. تقویت‌کننده کلاس AB نوعی تقویت‌کننده کلاس B است که در بالا توضیح داده شد، با این تفاوت که هر دو دستگاه اجازه دارند به طور همزمان در اطراف نقطه تقاطع شکل موج حرکت کنند و مشکلات اعوجاج متقاطع تقویت‌کننده کلاس B قبلی را حذف کنند.
این دو ترانزیستور دارای ولتاژ بایاس بسیار کمی هستند، معمولاً در 5 تا 10 درصد جریان ساکن برای بایاس ترانزیستورها درست بالای نقطه قطع آن. سپس دستگاه رسانا، یا دوقطبی از FET، برای بیش از یک نیم سیکل "روشن" خواهد بود، اما بسیار کمتر از یک سیکل کامل سیگنال ورودی. بنابراین، در طراحی تقویت‌کننده کلاس AB، هر یک از ترانزیستورهای فشار کش کمی بیشتر از نیم سیکل رسانش در کلاس B، اما بسیار کمتر از چرخه کامل رسانش کلاس A هستند.
به عبارت دیگر، زاویه هدایت یک تقویت کننده کلاس AB بسته به نقطه بایاس انتخاب شده همانطور که نشان داده شده است، چیزی بین 180 و 360 درجه است.
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
مزیت این ولتاژ بایاس کوچک، ارائه شده توسط دیودها یا مقاومت های سری، این است که بر اعوجاج متقاطع ایجاد شده توسط ویژگی های تقویت کننده کلاس B، بدون ناکارآمدی طراحی تقویت کننده کلاس A، غلبه می شود. بنابراین تقویت کننده کلاس AB یک سازش خوب بین کلاس A و کلاس B از نظر بازده و خطی است که بازده تبدیل به حدود 50٪ تا 60٪ می رسد.
تقویت کننده کلاس C
طراحی تقویت کننده کلاس C دارای بیشترین بازده اما ضعیف ترین خطی بودن کلاس های تقویت کننده های ذکر شده در اینجا است. کلاس های قبلی، A، B و AB تقویت کننده های خطی در نظر گرفته می شوند، زیرا دامنه و فاز سیگنال های خروجی به صورت خطی با دامنه و فاز سیگنال های ورودی مرتبط هستند.
با این حال، تقویت‌کننده کلاس C به شدت بایاس می‌شود به طوری که جریان خروجی برای بیش از نیمی از یک سیکل سیگنال سینوسی ورودی با ترانزیستور بیکار در نقطه قطع آن صفر است. به عبارت دیگر، زاویه هدایت ترانزیستور به طور قابل توجهی کمتر از 180 درجه است و به طور کلی در منطقه 90 درجه است.
در حالی که این شکل از بایاسینگ ترانزیستور بازده بسیار بهبود یافته ای در حدود 80 درصد به تقویت کننده می دهد، اعوجاج بسیار شدیدی در سیگنال خروجی ایجاد می کند. بنابراین، تقویت کننده های کلاس C برای استفاده به عنوان تقویت کننده صوتی مناسب نیستند.
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
تقویت‌کننده‌های کلاس C به دلیل اعوجاج شدید صوتی، معمولاً در نوسان‌گرهای موج سینوسی فرکانس بالا و انواع خاصی از تقویت‌کننده‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌شوند، جایی که پالس‌های جریان تولید شده در خروجی تقویت‌کننده‌ها را می‌توان به امواج سینوسی کامل با یک فرکانس خاص تبدیل کرد. استفاده از مدارهای تشدید ال سی در مدار جمع کننده آن.
خلاصه کلاس های تقویت کننده
سپس دیدیم که نقطه کار DC ساکن (نقطه Q) یک تقویت کننده طبقه بندی تقویت کننده را تعیین می کند. با تنظیم موقعیت نقطه Q در نیمه راه روی خط بار منحنی ویژگی های تقویت کننده، تقویت کننده به عنوان یک تقویت کننده کلاس A عمل می کند. با حرکت دادن نقطه Q به پایین، خط بار تقویت کننده را به تقویت کننده کلاس AB، B یا C تغییر می دهد.
سپس کلاس عملکرد تقویت کننده با توجه به نقطه کار DC آن را می توان به صورت زیر ارائه کرد:
کلاس های تقویت کننده و راندمان ( بازده )
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
علاوه بر تقویت‌کننده‌های صوتی، تعدادی کلاس تقویت‌کننده با راندمان بالا در رابطه با طرح‌های تقویت‌کننده سوئیچینگ وجود دارد که از تکنیک‌های مختلف سوئیچینگ برای کاهش تلفات برق و افزایش بازده استفاده می‌کنند. برخی از طرح‌های کلاس تقویت‌کننده فهرست‌شده در زیر از تشدیدکننده‌های RLC یا ولتاژهای منبع تغذیه متعدد برای کاهش تلفات برق استفاده می‌کنند، یا از نوع تقویت‌کننده‌های دیجیتال DSP (پردازش سیگنال دیجیتال) هستند که از تکنیک‌های سوئیچینگ مدولاسیون عرض پالس (PWM) استفاده می‌کنند.
سایر کلاس های تقویت کننده رایج
تقویت کننده کلاس D
تقویت کننده صوتی کلاس D اساساً یک تقویت کننده سوئیچینگ غیر خطی یا تقویت کننده PWM است. تقویت‌کننده‌های کلاس D از نظر تئوری می‌توانند به راندمان 100% برسند، زیرا هیچ دوره‌ای در طول چرخه وجود ندارد که شکل موج ولتاژ و جریان با هم همپوشانی داشته باشند زیرا جریان فقط از طریق ترانزیستور روشن کشیده می‌شود.
تقویت کننده کلاس F
تقویت کننده های کلاس F با استفاده از تشدید کننده های هارمونیک در شبکه خروجی برای شکل دادن به شکل موج خروجی به شکل موج مربعی، هم کارایی و هم خروجی را افزایش می دهند. تقویت کننده های کلاس F در صورت استفاده از تنظیم هارمونیک بی نهایت قادر به بازدهی بالای بیش از 90 درصد هستند.
تقویت کننده کلاس G
کلاس G پیشرفت هایی را در طراحی تقویت کننده کلاس پایه AB ارائه می دهد. کلاس G از چندین ریل منبع تغذیه با ولتاژهای مختلف استفاده می کند و با تغییر سیگنال ورودی به طور خودکار بین این ریل های تغذیه سوئیچ می کند. این سوئیچینگ ثابت باعث کاهش میانگین مصرف برق و در نتیجه تلفات برق ناشی از گرمای هدر می شود.
تقویت‌کننده کلاس I
تقویت‌کننده کلاس I دارای دو مجموعه از دستگاه‌های سوئیچینگ خروجی مکمل است که در یک پیکربندی فشار کش موازی با هر دو مجموعه دستگاه سوئیچینگ از یک شکل موج ورودی نمونه‌برداری می‌کنند. یک دستگاه نیمه مثبت شکل موج را سوئیچ می کند، در حالی که دیگری نیمه منفی را مشابه تقویت کننده کلاس B سوئیچ می کند. بدون اعمال سیگنال ورودی، یا زمانی که یک سیگنال به نقطه عبور صفر می رسد، دستگاه های سوئیچینگ همزمان با چرخه کاری PWM 50% روشن و خاموش می شوند که هر سیگنال فرکانس بالا را لغو می کند.
برای تولید نیمه مثبت سیگنال خروجی، خروجی دستگاه سوئیچینگ مثبت در چرخه وظیفه افزایش می یابد در حالی که دستگاه سوئیچینگ منفی به همان میزان کاهش می یابد و بالعکس. گفته می‌شود که دو جریان سیگنال سوئیچینگ در خروجی به هم متصل می‌شوند و به تقویت‌کننده کلاس I به نام «تقویت‌کننده PWM interleaved» داده می‌شود که در فرکانس‌های سوئیچینگ بیش از 250 کیلوهرتز کار می‌کند.
تقویت کننده کلاس S
تقویت کننده قدرت کلاس S یک تقویت کننده حالت سوئیچینگ غیر خطی است که در عملکرد مشابه تقویت کننده کلاس D است. تقویت‌کننده کلاس S سیگنال‌های ورودی آنالوگ را توسط یک مدولاتور دلتا سیگما به پالس‌های موج مربعی دیجیتال تبدیل می‌کند و آنها را تقویت می‌کند تا قدرت خروجی را قبل از اینکه در نهایت توسط فیلتر باند گذر دمدوله شود، افزایش دهد. از آنجایی که سیگنال دیجیتال این تقویت کننده سوئیچینگ همیشه یا به طور کامل "روشن" یا "خاموش" است (از لحاظ نظری اتلاف توان صفر)، بازدهی به 100٪ امکان پذیر است.
تقویت کننده کلاس T
تقویت کننده کلاس T نوع دیگری از طراحی تقویت کننده سوئیچینگ دیجیتال است. تقویت‌کننده‌های کلاس T به دلیل وجود تراشه‌های پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) و تقویت‌کننده‌های صدای فراگیر چند کاناله، این روزها به عنوان یک طراحی تقویت‌کننده صوتی محبوب‌تر شده‌اند، زیرا سیگنال‌های آنالوگ را به سیگنال‌های مدوله‌شده با عرض پالس دیجیتال (PWM) تبدیل می‌کنند. تقویت راندمان تقویت کننده ها را افزایش می دهد. طرح‌های تقویت‌کننده کلاس T هم سطوح سیگنال اعوجاج کم تقویت‌کننده کلاس AB و هم راندمان توان تقویت‌کننده کلاس D را ترکیب می‌کنند.
در اینجا تعدادی دسته‌بندی تقویت‌کننده‌ها از تقویت‌کننده‌های توان خطی تا تقویت‌کننده‌های سوئیچینگ غیرخطی را دیده‌ایم، و دیده‌ایم که چگونه یک کلاس تقویت‌کننده در طول خط بار تقویت‌کننده متفاوت است. تقویت کننده های کلاس AB، B و C را می توان بر حسب زاویه هدایت θ به صورت زیر تعریف کرد:
کلاس تقویت کننده بر اساس زاویه هدایت
| کلاس تقویت کننده | شرح | زاویه هدایت |
| کلاس A | سیکل کامل 360 [SUP]درجه[/SUP] هدایت | θ = 2π |
| کلاس-B | نیم سیکل 180 [SUP]درجه[/SUP] هدایت | θ = π |
| کلاس-AB | کمی بیشتر از 180 [SUP]درجه[/SUP] هدایت | π < θ < 2π |
| کلاس-C | کمی کمتر از 180 [SUP]درجه[/SUP] هدایت | θ < π |
| کلاس D تا T | سوئیچینگ غیرخطی ON-OFF | θ = 0 |
این مقاله صرفا برای انجمن الغدیر تهیه و تنظیم شده و هرگونه کپی ، نشر ، اقتباس منوط به اجازه و ذکر منبع است.