Классы усиления. Еще раз о усилителях мощности

Долгое время в высококачественной аппаратуре звукоусиления применялись только режимы класса A и AB. Это объяснялось тем, что в качестве активных элементов использовались лампы, а ламповый усилитель класса B давал такое количество нелинейных искажений, что их высокий уровень был неприемлем даже для громкоговорящих систем оповещения. Все ламповые усилители, мало-мальски претендующие на «высокую верность» звучания, работали в режиме класса A. Транзисторные УМЗЧ дают разработчику больший простор для творчества: в коммерческих разработках используются все классы, описанные ниже.

Класс A

В режиме класса A через усилительные элементы (УЭ) – выходные транзисторы или лампы ток течет все время, тем самым предотвращается включение и выключение транзистора при смене полярности усиливаемого сигнала, а следовательно, снижается коэффициент нелинейных искажений. Это не часто описывается в руководствах, но известно два существенно отличающихся способа реализации данного режима. Первый способ – это просто двухтактный эмиттерный повторитель, знакомый всем по режиму класса B, но с увеличенным напряжением смещения, так что ни один из двух транзисторов при нормальных сопротивлениях нагрузки никогда не входит в режим отсечки. Преимущество этого способа заключается в том, что в этой схеме не возникает перегрузка по току: при снижении сопротивления нагрузки ниже допустимого транзисторы просто входят в режим класса AB, при этом несколько увеличивается коэффициент нелинейных искажений, но звучание все еще остается достаточно качественным.

Другой способ реализации режима класса A известен также как источник тока, управляемый напряжением (ИТУН): это один усилительный элемент, включенный по схеме повторителя напряжения с активной нагрузкой в цепи эмиттера (или катода) для обеспечения рабочего тока через усилительный элемент. При повышении тока нагрузки сверх установленного предела напряжение на активной нагрузке достигает некоторой величины и далее практически не изменяется, что приводит к обрезанию выходного сигнала.

В руководствах по ламповым усилителям упоминаются таинственные классы AB1 и AB2. В первом из них некоторую часть цикла ток через сетку не течет, а во втором – течет всегда. Такое разделение важно для ламповых усилителей, так как сеточный ток выходной лампы в режиме AB2 требует более кропотливого расчета предыдущего каскада.

Для транзисторных усилителей это разделение не имеет особого смысла, так как базовый ток биполярного транзистора течет всегда, пока транзистор не войдет в режим отсечки, а ток затвора полевого транзистора всегда отсутствует (если не считать заряда и разряда внутренних емкостей).

Класс AB

Это комбинация режимов класса A и B. В отсутствие напряжения смещения усилительный элемент работает в режиме класса B, если это напряжение несколько увеличить, то он войдет в режим класса AB. Получается, что при достаточно малой амплитуде сигнала усилительные элементы двухтактного выходного каскада работают в режиме класса A, оставаясь все время открытыми, а при большой амплитуде – работают попеременно, так что один из них входит в режим отсечки, в то время как ток через другой увеличивается. В момент переключения обоих элементов существенно возрастает искажение сигнала. В зависимости от смещения и уровня выходного сигнала, каждый из усилительных элементов работает от 50% до 100% всего времени.

Коэффициент нелинейных искажений усилителя класса AB больше, чем у усилителей классов A или B, поэтому, на мой взгляд, единственное разумное применение класса AB – это аварийный режим работы усилителя класса A при понижении импеданса нагрузки ниже установленного предела, позволяющий ему сохранять работоспособность в этом случае.

Класс B

Усилители, исправляющие ошибки. В усилителях данного типа вместо обычной для аудиотехники отрицательной обратной связи используется метод коррекции ошибок. Существует, по крайней мере, три метода коррекции ошибок.

Усилители без коммутации. Наиболее заметные искажения сигнала в усилителях класса B вызваны процессом переключения мощных транзисторов двухтактного выходного каскада, которые осуществляют коммутацию шин питания на низкоомную нагрузку – громкоговоритель. Многие разработчики пытались устранить эти искажения, переводя транзисторы в такой режим работы, когда через них все время течет хотя бы малый ток.

Усилители тока. Почти все усилители мощности «стремятся быть» источником напряжения с минимальным выходным сопротивлением, это позволяет обеспечить постоянное усиление при вариации импеданса нагрузки, который зависит от частоты усиливаемого сигнала.

Противоположный подход – усилитель с достаточно высоким выходным сопротивлением, который ведет себя как источник тока. Это устраняет некоторые проблемы (например, когда при нагревании сопротивление катушки индуктивности громкоговорителя повышается), но вызывает появление новых (например, проблемы с резонансом в громкоговорителе).

Метод Бломлея. Питер Бломлей (Blomley) в 1971 году предложил метод [20], который предохранял транзисторы выходного каскада от полного запирания. Идея состояла в том, чтобы расщепить положительную и отрицательную полуволны в предварительных каскадах, а не в оконечных. В этом случае режим работы транзисторов оконечного каскада может быть выбран таким образом, чтобы через них всегда протекал хотя бы минимальный ток. Тем не менее, данный метод пока не получил широкого распространения в коммерческих разработках.

Класс AB-среднее геометрическое. Классическое объяснение принципа работы усилителя класса B предполагает, что двуполярное напряжение на базах транзисторов двухтактного каскада достаточно точно передается на их эмиттеры и что при этом транзисторы переключаются одновременно при смене полярности усиливаемого напряжения и работают строго попеременно. На практике переключение происходит не сразу и из-за этого наблюдается искажение типа «ступенька» в выходном сигнале. В практически используемых схемах в цепи эмиттеров обоих транзисторов устанавливаются специальные резисторы.

Вложенные контуры ООС. Довольно изощренная и достаточно сложная методика использования нескольких контуров отрицательной обратной связи.

Класс C

Это импульсный режим работы усилительного элемента, когда при усилении синусоидального сигнала УЭ находится в открытом состоянии менее чем 50% всего времени. Данный режим используется на радиочастотах, в этом случае LC-цепь выделяет основную гармонику искаженного сигнала.

Класс D

В этом режиме усилительный элемент переключает выходную линию то на одну шину питания, то на другую со сверхзвуковой частотой, при этом продолжительность выходных импульсов и паузы между ними подбирается таким образом, чтобы среднее выходное напряжение соответствовало уровню усиливаемого сигнала. Иначе говоря, речь идет о широтно/импульсной модуляции (ШИМ – Pulse Width Modulation, PWM). Несмотря на перспективность такого подхода и многочисленные попытки построения различных схем на этой основе, этот режим все еще мало применяется в УМЗЧ из-за многих пока непреодолимых трудностей, особенно в плане электромагнитной совместимости, ведь мощные прямоугольные импульсы частотой 200 кГц являются источником электромагнитных помех.

Коэффициент искажений не такой уж и низкий, а допустимая глубина ООС ограничена частотой ШИМ-импульсов. Для удаления высокочастотных гармоник на выходе усилителя перед динамиком необходимо использовать фильтр низких частот с крутым спадом, для этого обычно требуется не менее четырех катушек индуктивности (для стереовыхода), что заметно повышает стоимость конструкции. Но самой плохой особенностью усилителей данного класса является то, что они могут обеспечить достаточно плоскую АЧХ только при заданном импедансе нагрузки.

Класс E

В этом режиме применен чрезвычайно изобретательный способ работы транзистора, в котором через него либо течет очень малый ток, либо на нем падает малое напряжение, в результате рассеиваемая мощность невелика. К сожалению, этот режим используется только для усиления сигналов радиочастотного диапазона и поэтому не находит применения в аудиотехнике.

Класс G

Этот режим был предложен фирмой Hitachi в 1976 году с целью сокращения рассеиваемой усилителем мощности. Аудиосигналы имеют высокое отношение максимум/среднее значение, при этом большая часть времени расходуется на низкие уровни, поэтому рассеиваемую на выходном транзисторе мощность можно значительно снизить за счет перехода от низковольтных шин питания к высоковольтным.

Усилители класса G имеют две пары шин питания (высоковольтную и низковольтную), как показано на рис. 1. При малой амплитуде выходного сигнала питание осуществляется низковольтной шиной V1. Когда уровень сигнала превышает напряжение 15 В, диод D3 или D4 (для положительной и отрицательной полуволны соответственно) закрывается, открывается транзистор TR6 или TR8 и в работу включается высоковольтная шина V2. В это время транзисторы TR6 и TR3 (для положительной полуволны) или TR8 и TR4 (для отрицательной) включены последовательно, в результате мощность, рассеиваемая на каждом из них, снижается. Внутренние транзисторы TR3 и TR4 обычно работают в режиме класса B, хотя может использоваться также режим класса AB или A, для этого надо увеличить напряжение смещения. Внешние транзисторы TR6 и TR8 работают в режиме класса C, находясь в открытом состоянии менее 50% периода усиливаемого синусоидального сигнала.

Рис. 1. УМЗЧ класса G. Когда уровень выходного сигнала превышает порог переключения, диод D3 или D4 закрывается, в результате питание обеспечивается высоковольтной шиной.

Вообще говоря, скачок напряжения на коллекторах транзисторов не должен сильно сказываться на уровне выходного сигнала, но на практике усилители класса G имеют меньшую линейность, чем усилители класса B, потому что в результате переключения диодов и перезаряда их паразитных емкостей возникают дополнительные помехи.

Очевидным обобщением описанного методы снижения рассеиваемой на транзисторах мощности является дальнейшее увеличение числа шин питания. На практике обычно используется не более трех пар. Внутренние транзисторы, как и раньше, работают в режиме класса B/AB, а промежуточные и внешние транзисторы – в режиме класса C, причем последние находятся в открытом состоянии меньшее время, чем первые.

Рис. 2. Комбинация двух эмиттерных повторителей – УМЗЧ класса G (параллельное включение) с двумя парами шин питания.

Схема, работающая в параллельном варианте класса G, показана на рис. 2. При низком уровне выходного сигнала в открытом состоянии находятся только транзисторы Q3 и Q4, которые получают питание от низковольтной шины. Выше порога, задаваемого напряжениями смещения VСМ3 и VСМ4, открываются диоды D1 и D2 и начинают работать выходные транзисторы Q6 и Q8, питаемые от высоковольтной шины.

Диоды D3 и D4 обеспечивают защиту транзисторов Q3 и Q4 от отрицательного напряжения смещения. Выходные транзисторы Q6 и Q8 находятся в открытом состоянии менее 50% периода усиливаемого синусоидального сигнала, то есть работают в режиме класса C. Транзисторы Q3 и Q4 обычно работают в режиме класса B.

Наиболее мощные усилители класса G, использующие параллельное включение выходных каскадов, имеют три пары шин питания.

Класс H

Основывается на классе B, только используется повышение напряжения на един ственной паре шин питания, вместо переключения между несколькими шинами, как в классе G.

Класс S

Класс усиления S, названный так Сэндмэном, использует каскад класса A с малым выходным током совместно с каскадом класса B, подключенным таким образом, чтобы увеличить эффективное значение импеданса нагрузки, «видимое» со стороны первого каскада. Похожий метод был использован в усилителе Technics SE-A100.

Автор: Дуглас Селф (Douglas Self)

Из книги: Audio Power Amplifier Design Handbook. Third Edition

Еще одна статья по класам усиления

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *