0

Усилители класса A, B и AB — в чем их отличия, и в чем преимущества

Усилители являются незаме­нимыми основными каскадами самой разнообразной радиоэ­лектронной аппаратуры (РЭА). Они находят свое применение, как в низкочастотной, так и вы­сокочастотной РЭА. В соответ­ствии со своей топологией, а вернее включением выходно­го, отвечающего за усиление мощности каскада, они условно делятся на классы и соответ­ственно им используются в том или ином приложении. Данная статья рассматривает три са­мых распространенных класса усилителей.

Начиная с первых шагов ра­диотехники одной из основных задач было усиление сигнала. Это касалось усиления по на­пряжению, току, но в основном — по мощности. В соответствие с требованиями того или иного приложения были разработаны и соответствующие этому уси­лители.

В настоящее время суще­ствует много классов усили­телей. Основными являются классы A, B и AB, кроме них есть менее распространенные клас­сы — C, D, E, F и это еще не все, которые решают сугубо специ­фические задачи. Имеются так­же смешенные классы, как упо­мянутый выше класс AB.

Одно из различий классов заключается в том, как их каска­ды, обеспечивающие усиления, а именно, транзисторы смеще­ны. Они могут быть смещены по-разному, что влияет на ко­эффициент полезного действия (КПД) и линейность усиления, то есть, на уровень искажений или внесения гармоник (иногда они вредны и нежелательны, а иногда, напротив, их добивают­ся специально для возбужде­ния резонансных цепей). Соб­ственно, то или иное смещение и определяет класс работы усилителя. Для низкочастот­ных, а также высокочастотных и микроволновых усилителей высокой мощности обычно ис­пользуются: Класс A, Класс B и Класс AB. В этой статье мы об­судим различия между различ­ными классами, и что это озна­чает в отношении их КПД.

Что подразумевается под смещением?

Сердцем усилителя являют­ся усилительные устройства, такие как биполярные тран­зисторы разной проводимо­сти, LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor — металло-оксидные полу­проводники с поверхност­ной диффузией), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor — поле­вой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор) транзисторы, транзисторы на основе нитрида галлия (GaN), арсенида галлия (GaAs) и карбида кремния (SiC). В дальнейшем мы рассмотрим выходные каскады усилителей только на биполярных транзи­сторах.

Учитывая их свойства: рас­сеиваемая мощность, рабочее напряжение, номинальный и пиковый токи, частотную ха­рактеристику, производители выбирают или разрабатывают на их основе усилитель соот­ветствующего частотного диа­пазона, мощности и области применение. Однако, транзи­стор не будет работать сам по себе, он должен быть установ­лен в рабочую точку на его вы­ходной вольтамперной (ВАХ) характеристики, то есть, сме­щен на напряжение и ток по­коя. Установка этого смещения — это то, что определяет его класс работы.

Темой статьи, как уже было сказано, является рассмотре­ние трех основных классов уси­лителей: A, B и AB. Для начала в таблице приведено сравне­ния этих усилителей, далее эти классы будут рассмотрены под­робно.

Класс A B AB
Угол отсечки 180° Между 180° и 0°
Смещение 100%  (полное) 0% (отсутствует) Между 5% и 50%
Максимальный КПД <50%
Типовое — 25%
70. . .78.5% 50. . .70%
Линейность Высокая Искажения при, переходе через нуль Хорошая

Класс A

Усилитель Класса A является смещенным для получения пол­ного размаха амплитуды сигна­ла (рис.1). Соответственно он потребляет значительную мощ­ность даже на холостом ходу, так как, в этом случае работает на половине максимального то­ка потребления.

Рис. 1

Особенностью такого режи­ма включения является то, что в режиме работы с общим коллек­тором, усилитель (в этом случае мы имеем дело только с усиле­нием тока) сохраняет фазу сиг­нала. При включении выходно­го каскада с общим эмиттером (здесь мы усиливаем, кроме тогмощности, еще и напряже­ние сигнала), имеет место по­ворот фазы сигнала на 180°, то есть его инвертирование. Од­нако некоторые забывают, что эти утверждения теоретические и справедливы только в случае идеального транзистора рабо­тающего в линейной области своей амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Если транзистор должен ра­ботать в области частот близкой к его граничной (частоте еди­ничного усиления), то угол меж­ду векторами базового и кол­лекторного токов изменяется, что приводит к потере усиления и потенциальной неустойчиво­сти усилителя. Автор статьи на основании своего опыта в раз­работке самой разнообразной РЭА вывел простое правило — для исключения сдвига между векторами тока в рабочем диа­пазоне частот усилителя необ­ходимо выбирать транзистор по эмпирической формуле:

fB=f1/h21

где:

fB  — это верхняя частота не­обходимого для усиления сиг­нала (в общем, частота среза усилителя);

f1 — частота единичного уси­ления транзистора;

h21 — коэффициент усиления по току.

Для схем с общим эмит­тером, при крайне необходи­мости, с коллектора на базу вводят частотнозависимую обратную связь через конден­сатор или последовательную RC-цепь. Поскольку мы здесь имеем дело с инвертирующим усилителем — то обратная связь получается отрицательной, что предотвращает возбуждение и снижает выбросы при пере­ходных процессах при усилении сигналов с высокой скоростью нарастания. Как известно из те­оретических основ радиотехни­ки, они имеют широкий спектр. Такое решение автор статьи ис­пользовал в разработанном им в конце 1970-х малошумящем усилителе-корректоре для кас­сетного магнитофона. Посколь­ку качественные транзисторы в советское время были не до­ступны, а решение на знамени­тых КТ3102Е(Д) из-за их высо­кого коэффициента усиления при низкой частоте единичного усиления в таких каскадах при­водило к неустойчивости, иска­жениям и помехам. В качестве противоядия два усилительных каскада (обычная двойка) были разделены эмиттерным повто­рителем. Это позволило под­нять усиление первого каскада (шунтирование его по выходу было минимизировано) и вве­сти его в микрорежим по току (согласование с нагрузкой по­зволяет уменьшить собствен­ные шумы транзистора).

К достоинствам усилителя Класса А можно отнести про­стоту решения с хорошей ли­нейностью, но это достигается за счет работы с низким КПД. Транзистор для такого усили­теля нужно брать повышенной мощности и учитывать, что он будет выделять много тепла, и его необходимо охлаждать, а для компенсации низкого КПД будет необходимо использо­вать источник питания боль­шей мощности. Кроме того, поскольку транзистор нагре­вается, то и срок службы уси­лителя сокращается. Согласно формуле Аррениуса, применя­емой при оценке надежности нагрев на каждые 10°С снижает срок службы радиоэлемента в 2-3 раза. Однако эффективный теплоотвод может решить эту проблему.

Рис. 2

Есть еще одна условно по­ложительная сторона этого режима — это постоянство по­требляемой мощности, которая для схемы с общим коллектором (эмиттерный повторитель в качестве усилителя мощности показан на рис.2 равна:

2Vb2/RЕ,

где:

Vb — это напряжение питания плеча усилителя;

RЕ — сопротивление в цепи эмиттера.

Примером эффективной схе­мы, использующей этот режим усиления мощности, является разработанный автором статьи усилитель импульсов с гальва­нической связью [2] и усилите­ли для стереотелефонов [3].






Класс В

Усилитель Класса В характе­ризуется тем, что у него полно­стью отсутствует смещение, соответственно он потребляют наименьшее количество энер­гии, особенно в режиме холо­стого хода. Но, как правило, если это не усилитель однопо­лярных импульсов, то он требу­ет двух транзисторов, то есть, это, по сути, комплиментарный эмиттерный повторитель, кото­рый является двухтактным уси­лителем (рис.3).

Рис. 3

Каждый его транзистор ра­ботает в противофазе один от­носительно второго, то есть со сдвигом на 180°. Поскольку уси­лители соединены вместе, то один усиливает положительную полуволну сигнала, а второй — отрицательную, а в сумме полу­чаем 180° + 180° = 360°.

На рис.4 показана установка рабочей точки на ВАХ характе­ристике транзистора в усилите­ле Класса В.

Рис. 4

Однако, там, где устройства передают сигнал один другому, то есть, на переходах сигна­ла через ноль, могут возникать искажения. Некоторые аудио и низкочастотные усилители, для которых эти искажения не столь важны, как экономия энергии источника питания, используют эту технологию. Однако, когда требуется полоса пропускания выше 1 МГц, разработать уси­литель становится все более и более трудным делом.

Усилители, работающие в режиме В, действительно от­личаются экономичностью, зна­чительно превышая КПД Класса А и АВ. Но и здесь есть нюансы. Некоторые считают, раз уси­литель рассчитан на мощность 100 Вт, то и на транзисторах рассеивается та же мощность. Нет, это не верно. Мощность, рассеиваемая на выходных транзисторах, зависит от фор­мы сигнала и при максимальной выходной мощности, то есть,

максимальной амплитуде вы­ходного сигнала, она как раз минимальна, так как выходные транзисторы при максималь­ном токе близки к насыщению и падение напряжения на них ми­нимально. Соответственно ми­нимальна и рассеиваемая ими мощность. Если для простоты взять синусоидальный сигнал, то максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторах Рт, можно определить по фор­муле:

РТmax≈0.1Vb2/RV,

где:

Vb — это напряжение питания плеча усилителя;

RV — сопротивление нагруз­ки.

Какой из этого следует вы­вод? Он прост, если вы хотите приблизится к максимально возможному для усилителей Класса В КПД=78.5%, не надо чрезмерно увеличивать его на­пряжение питания.

Класс АВ

Класс АВ является гибри­дом между усилителями клас­са А и класса В, и его многие разработчики считают лучшим компромиссом. Транзисторы смещены на угол отсечки менее 180° и сопряжены друг с другом, так же, как и для класса В, но теперь между характеристика­ми двух транзисторов имеется совпадение, устраняющее про­блему перекрестных искажений (рис.5). Установка рабочей точ­ки на ВАХ характеристике тран­зистора показана на рис.6.

Рис. 5

Проблема искажение типа ступенька (когда закрыты оба транзистора выходного каска­да) характерных для усилите­лей Класса В, путем смещения рабочей точки, уменьшена, но некоторые искажения всё же остаются, поскольку перекры­тие ВАХ выходных транзисторов никогда не бывает идеальным.

Рис. 6

Поскольку КПД в режиме АВ мо­жет быть намного выше, чем у усилителя класса А, то это уже существенное преимущество и некоторая нелинейность — это не столь большая плата за это. Окончательно проблема реша­ется введением отрицательной обратной связи, но и тут не все так просто, однако рассмотрение этого вопроса выходит за рамки настоящей статьи.

Дополнительные искажения в усилителях Класса АВ могут возникать, если положительные и отрицательные полуволны сигнала усиливаются не в рав­ной степени. Этот бывает тогда, когда применяют комплимен­тарные эмиттерные повторите­ли с высокоомным источником сигнала, и оба транзистора об­ладают различными коэффици­ентами усиления по току. Если сильная отрицательная обрат­ная связь в усилителе не пред­усмотрена, то, по возможности, нужно выбирать транзисторы выходного каскада с равными коэффициентами усиления по току.

На рис.7 представлены два варианта реализации режима класса АВ. Для сдвига рабочей точки (рис.7,а) и создания на­чального тока покоя между выводами базы транзисторов Т1 и Т2 создают постоянное напря­жение около 1.4 В. Если оба на­пряжения U1 и U2 одинаковы по величине, то постоянное напря­жение на выходе будет прибли­зительно равно постоянному напряжению на входе. Можно задавать смещение так, как по­казано на рис.7,б, используя только одни источник напряже­ния U3 = U1 + U2. Однако, в этом случае между входом и выходом устанавливается разность по­тенциалов около 0.7 В.

Рис. 7, а

Рис. 7, б

Основная проблема режима класса АВ состоит в том, что­бы поддерживать необходимый ток покоя в широком диапазоне температур. Если оба биполяр­ных транзистора нагреваются, то их ток покоя возрастает. Это может приводить к дальнейше­му нагреву транзисторов и, на­конец, к их разрушению. Такой эффект называется тепловой положительной обратной свя­зью. Для предотвращения уве­личения тока покоя при росте температуры напряжения U1 и U2 снижают примерно на 2 мВ на градус. С этой целью можно использовать диоды или рези­стор с отрицательным ТКС, ко­торые монтируют на радиаторе мощных транзисторов.

Разумеется, термокомпен­сация никогда не будет полной, так как возникает разность тем­ператур между мощным тран­зистором и температурным датчиком. Поэтому требуются дополнительные меры стаби­лизации. Для этого служат ре­зисторы R1 и R2, создающие отрицательную обратную связь по току, которая тем действен­ней, чем больше сопротивления указанных резисторов. Тем не менее, они включены последо­вательно с нагрузкой и снижают выходную мощность усилителя. Соответственно их сопротивле­ние должно выбираться намного меньше, чем сопротивление на­грузки.

Главное, что по сравнению с Классом А, на транзисторе в режиме АВ выделяется меньше тепла, и усилитель потребляет меньше энергии от источника питания, что снижает его раз­меры и стоимость.

Устойчивость

Устойчивость применитель­но к усилителям — это способ­ность справляться с «плохими» нагрузками, а именно ком­плексными (а не чисто актив­ными) или несогласованностью импедансов, когда речь идет о высокочастотных усилителях мощности, что приводит к вы­соким значениям коэффици­ент стоячей волны напряжения KCBH (в англ. терминологии VSWR). Большую роль играет и правильная конфигурация ста­билизирующих его работу об­ратных связей. Кроме того, не забываем, что усилитель дол­жен устойчиво работать в тре­буемых условиях окружающей среды, а это далеко не всегда лабораторные или комнатные условия. Он может эксплуати­роваться в суровых условиях: с высокой температурой, влажно­стью, запыленностью при воз­действии ударов и вибрации. Не все решает хорошая схема, нужна еще и соответствующая ей конструкция.

Иногда думают, что усилите­ли Класса А (которые содержат меньше транзисторов) более надежны, чем другие усилители. Однако это миф. Общая тополо­гия усилителя действительно позволяет ему быть более на­дежным. Но усилители класса А должны быть сконструированы с учетом большого рассеива­ния тепла и большой постоянно потребляемой мощностью от источника питания. Невыпол­нение этого может привести к снижению надежности. Усили­тели класса АВ также могут быть спроектированы для удовлет­ворения тех же требований, но при этом обеспечивать более высокое значение КПД.

Заключение

Усилители могут и должны быть спроектированы и изго­товлены в соответствии с тре­бованиями конкретного прило­жения. Некоторые приложения требуют линейности, другие высокого КПД, третьи — широ­кого диапазона частот, четвер­тые — надежности в жестких условиях среды эксплуатации, для других важна себестои­мость. Поэтому при выборе класса усилителя, а это пер­вое, что вам придется выбрать, следует соблюдать известную осторожность, чтобы убедить­ся, что ваш усилитель сможет работать в проектируемом приложении. Второе — это пра­вильный выбор транзисторов по частоте единичного усиле­ния и коэффициениту усиления по току, как минимум. Главное помнить, что класс будь это А или АВ, определяет не харак­теристики усилителя, а способ решения конкретной задачи.

В данной статье исполь­зован руководящий матери­ал компании Exodus Advanced Communications [1] с уточнени­ем ряда спорных утверждений. Для получения максимально полной информации по описан­ным в статье классам усилите­лей, включая их энергетические характеристики и методики расчета, автор статьи рекомен­дует обратиться к [4, 5].

Литература:

  1. App-Note: 002 — Amplifier Classification A vs. Exodus Advanced Communications, 2019 — document-# app 002 rev 0.1
  2. Владимир Рентюк. Проек­тирование усилителей импуль­сов // Электрик. — 2014. -№11­
  3. Владимир Рентюк. СТЕ­РЕОТЕЛЕФОНЫ И УСИЛИТЕЛЬ: выбираем и проектируем пра­вильно (Часть 2). РадиоЛоцман, август 2014.
  4. Титце У., Шенк К. Полупро­водниковая схемотехника. 12-е изд. Том I: Пер. с нем. — М.: ДМК Пресс, 2008.
  5. Титце У., Шенк К. Полупро­водниковая схемотехника. 12-е изд. Том II: Пер. с нем. — М.: ДМК Пресс, 2007.

Автор: Владимир Рентюк, г. Запорожье
Источник: Радиоаматор №3-4/20

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.