Klassen van eindversterkers

In de elektronica is Amplifier het meest gebruikte circuitapparaat met enorme toepassingsmogelijkheden. In audiogerelateerde elektronica zijn voorversterker en eindversterker twee verschillende soorten versterkersystemen die worden gebruikt voor aan geluidsversterking gerelateerde doeleinden. Maar afgezien van dit toepassingsspecifieke doel, zijn er enorme verschillen in verschillende soorten versterkers, voornamelijk in eindversterkers. Dus hier zullen we verschillende klassen versterkers onderzoeken, samen met hun voor- en nadelen.

Classificaties van versterkers met letters

Versterkerklassen zijn de identiteit van de prestaties en kenmerken van de versterker. Verschillende typen eindversterkers geven verschillende reacties wanneer ze er stroom doorheen leiden. Volgens hun specificaties krijgen versterkers verschillende letters of alfabetten toegewezen die hun klassen vertegenwoordigen. Er zijn verschillende klassen versterkers beginnend bij A, B, C, AB, D, E, F, T enz. Van die klassen zijn de meest gebruikte audioversterkersklassen A, B, AB, C. Andere klassen zijn moderne versterkers die gebruik maken van schakeltopologieën en PWM-techniek (Pulse Width Modulation) om de uitgangsbelasting aan te sturen. Soms wordt aan een verbeterde versie van traditionele klassen een letter toegewezen om ze als een andere klasse versterker te classificeren, zoals een klasse G-versterker een gemodificeerde versterker is van klasse B of klasse AB-versterker.

Klassen van de versterker vertegenwoordigen het aandeel van de ingangscyclus wanneer de stroom door de versterker wordt geleid. De ingangscyclus is de geleidingshoek die is afgeleid van de sinusvormige golfgeleiding in de versterkeringang. Deze geleidende hoek is in hoge mate proportioneel met de versterkers op tijd gedurende een volledige cyclus. Als de versterker tijdens een cyclus altijd AAN staat, is de geleidingshoek 360 graden. Dus als een versterker een geleidingshoek van 360 graden biedt, gebruikte de versterker het volledige ingangssignaal en het actieve element geleid door de 100% tijdsperiode van een volledige sinusoïdale cyclus.

Hieronder zullen we traditionele eindversterkerklassen demonstreren , variërend van klasse A, B, AB en C, en ook een klasse D-versterker demonstreren die veel wordt gebruikt in schakelontwerpen. Deze klassen worden niet alleen gebruikt in Power Amplifier, maar ook in circuits voor audioversterkers.

Klasse A versterker

Klasse A-versterker is een versterker met hoge versterking met een hoge lineariteit. In het geval van een Klasse A-versterker is de geleidingshoek 360 graden. Zoals we hierboven vermeldden, betekent een geleidingshoek van 360 graden dat het versterkerapparaat de hele tijd actief blijft en het volledige ingangssignaal gebruikt. In de onderstaande afbeelding wordt een ideale klasse A versterker getoond.

Zoals we op de afbeelding kunnen zien, is er één actief element, een transistor. De bias van de transistor blijft de hele tijd AAN. Vanwege deze functie om nooit uit te schakelen, biedt klasse A-versterker een betere stabiliteit van de hoge frequentie en terugkoppelingslus. Afgezien van deze voordelen, is een klasse A-versterker eenvoudig te bouwen met een component uit één apparaat en een minimum aantal onderdelen.

Ondanks de voordelen en hoge lineariteit kent het zeker vele beperkingen. Vanwege de continu geleidende aard introduceert de klasse A-versterker een hoog vermogensverlies. Door de hoge lineariteit zorgt klasse A-versterker ook voor vervorming en ruis. De voeding en de biasconstructie vereisen een zorgvuldige componentkeuze om ongewenste ruis te vermijden en de vervorming te minimaliseren.

Vanwege het hoge vermogensverlies in klasse A-versterker, geeft deze warmte af en heeft deze meer ruimte nodig voor het koellichaam. De efficiëntie is erg slecht in Klasse A-versterkers, theoretisch varieert de efficiëntie tussen 25 en 30% bij gebruik met de gebruikelijke configuratie. Het rendement kan worden verbeterd met een inductief gekoppelde configuratie, maar het rendement is in dat geval niet meer dan 45-50%, dus het is alleen geschikt voor versterking met een laag signaal of een laag vermogen.

Klasse B-versterker

De Klasse B-versterker verschilt een beetje van de Klasse A. Hij is gemaakt met behulp van twee actieve apparaten die de helft van de werkelijke cyclus geleiden, dwz 180 graden van de cyclus. Twee apparaten zorgen voor een gecombineerde stroomaandrijving voor de belasting.

In de bovenstaande afbeelding is een ideale klasse B-versterkerconfiguratie getoond. Het bestaat uit twee actieve apparaten die een voor een worden voorgespannen tijdens de positieve en negatieve halve cyclus van de sinusoïdale golf en dus wordt het signaal van zowel de positieve als de negatieve kant naar het versterkte niveau geduwd of getrokken en combineren we het resultaat, we krijgen een volledige cyclus over de uitgang. Elk apparaat ging aan of werd actief gedurende de helft van de cyclus, en hierdoor wordt de efficiëntie verbeterd, vergeleken met 25-30% efficiëntie van een Klasse A-versterker, het biedt theoretisch meer dan 60% efficiëntie. We kunnen de invoer- en uitvoersignaalgrafiek van elk apparaat in de onderstaande afbeelding zien. De efficiëntie is niet meer dan 78% voor klasse B-versterker . De warmteafvoer wordt in deze klasse geminimaliseerd, waardoor er een kleine warmteafvoerruimte is.

Maar deze klasse heeft ook beperkingen. Een zeer diepgaande beperking van deze klasse is de crossover-vervorming. Aangezien twee apparaten elke helft van de sinusvormige golven leveren die worden gecombineerd en samengevoegd over de uitgang, is er een mismatch (cross-over) in het gebied, waar twee helften worden gecombineerd. Dit komt doordat wanneer het ene apparaat de halve cyclus voltooit, het andere hetzelfde vermogen moet leveren bijna op hetzelfde moment als het andere de taak voltooit. Het is moeilijk om deze fout op te lossen in een klasse A-versterker, omdat tijdens het actieve apparaat het andere apparaat volledig inactief blijft. De fout zorgt voor een vervorming in het uitgangssignaal. Vanwege deze beperking is het een grote mislukking voor de toepassing van precisie-audioversterkers.

Klasse AB-versterker

Een alternatieve benadering om de cross-over vervorming te overwinnen, is het gebruik van de AB-versterker. Klasse AB-versterker maakt gebruik van de tussenliggende geleidingshoek van zowel Klasse A als B, dus we kunnen de eigenschap zien van zowel Klasse A- als Klasse B-versterker in deze AB-klasse van versterkertopologie. Hetzelfde als klasse B, het heeft dezelfde configuratie met twee actieve apparaten die gedurende de helft van de cycli afzonderlijk geleiden, maar elk apparaat is anders voorgespannen zodat ze niet volledig UIT gaan tijdens het onbruikbare moment (crossover-moment). Elk apparaat verlaat de geleiding niet onmiddellijk na het voltooien van de helft van de sinusoïdale golfvorm, in plaats daarvan voeren ze een kleine hoeveelheid invoer uit in een andere halve cyclus. Met behulp van deze voorspanningstechniek wordt de crossover-mismatch tijdens de dode zone drastisch verminderd.

Maar in deze configuratie wordt de efficiëntie verminderd omdat de lineariteit van de apparaten wordt aangetast. De efficiëntie blijft meer dan de efficiëntie van een typische Klasse A-versterker, maar is minder dan die van het Klasse B-versterkersysteem. Ook moeten de diodes zorgvuldig worden gekozen met exact dezelfde classificatie en moeten ze zo dicht mogelijk bij het uitvoerapparaat worden geplaatst. In sommige circuitconstructies hebben ontwerpers de neiging om een ​​weerstand met een kleine waarde toe te voegen om een ​​stabiele ruststroom over het apparaat te bieden om de vervorming over de uitgang te minimaliseren.

Klasse C versterker

Naast de Klasse A-, B- en AB-versterker is er nog een Klasse C-versterker. Het is een traditionele versterker die anders werkt dan de andere versterkerklassen. Klasse C-versterker is een afgestemde versterker die in twee verschillende bedrijfsmodi werkt, afgestemd of ongestemd. De efficiëntie van klasse C-versterker is veel meer dan de A, B en AB. Maximaal 80% efficiëntie kan worden bereikt in radiofrequentie-gerelateerde operaties

Klasse C-versterker gebruikt een geleidingshoek van minder dan 180 graden. Tijdens de niet-afgestemde modus wordt het tunergedeelte weggelaten uit de versterkerconfiguratie. Bij deze bewerking geeft een Klasse C-versterker ook een enorme vervorming over de uitvoer.

Wanneer het circuit wordt blootgesteld aan een afgestemde belasting, klemt het circuit het uitgangsbiasniveau vast met de gemiddelde uitgangsspanning gelijk aan de voedingsspanning. De afgestemde werking wordt clamper genoemd. Tijdens deze operatie krijgt het signaal zijn juiste vorm en wordt de middenfrequentie minder vervormd.

Bij normaal gebruik geeft Klasse C-versterker een efficiëntie van 60-70%.

Klasse D-versterker

Klasse D-versterker is een schakelende versterker die pulsbreedtemodulatie of PWM gebruikt. De geleidingshoek speelt geen rol in het geval dat het directe ingangssignaal wordt veranderd met een variabele pulsbreedte.

In dit Klasse D-versterkersysteem wordt de lineaire versterking niet geaccepteerd, omdat ze net zo werken als een typische schakelaar die slechts twee bewerkingen heeft: AAN of UIT.

Voordat het ingangssignaal wordt verwerkt, wordt het analoge signaal door verschillende modulatietechnieken omgezet in een pulsstroom en vervolgens aan het versterkersysteem toegevoerd. Aangezien de duur van de pulsen gerelateerd is aan het analoge signaal, wordt het opnieuw gereconstrueerd met een laagdoorlaatfilter over de uitgang.

Klasse D-versterker is de krachtigste versterkerklasse in het A-, B-, AB- en C- en D-segment. Het heeft een kleinere warmteafvoer, dus een klein koellichaam is nodig. Het circuit vereist verschillende schakelcomponenten zoals MOSFET's die een lage weerstand hebben.

Het is een veel gebruikte topologie in digitale audiospelers of het besturen van de motoren. Maar we moeten in gedachten houden dat het geen digitale converter is. Hoewel de klasse D-versterker voor hogere frequenties geen perfecte keuze is, omdat deze in enkele gevallen bandbreedtebeperkingen heeft, afhankelijk van het laagdoorlaatfilter en de mogelijkheden van de convertormodule.

Andere versterkerklassen

Behalve de traditionele versterkers zijn er nog weinig klassen, namelijk klasse E, klasse F, klasse G en H.

Klasse E-versterker is een zeer efficiënte vermogensversterker die schakeltopologieën gebruikt en werkt op radiofrequenties. Een eenpolig schakelelement en het afgestemde reactieve netwerk is het belangrijkste onderdeel dat moet worden gebruikt met de klasse E-versterker.

Klasse F is een versterker met hoge impedantie met betrekking tot de harmonischen. Het kan worden aangedreven met behulp van blokgolf of sinusgolf. Voor de sinusvormige golfingang kan deze versterker worden afgestemd met behulp van een inductor en kan worden gebruikt om de versterking te vergroten.

Klasse G gebruikt rail-switching om het stroomverbruik te verlagen en de efficiëntie te verbeteren. En Klasse H is de verder verbeterde versie van Klasse G.

Extra klassen zijn speciale versterker. In sommige gevallen worden de letters door de fabrikant geleverd om hun eigen ontwerp aan te duiden. Een van de beste voorbeelden is de Klasse T-versterker, een handelsmerk voor een speciaal type schakelende Klasse D-versterker, gebruikt voor de versterkertechnologieën van Tripath, een gepatenteerd ontwerp.