Nu toate amplificatoarele sunt la fel și există o distincție clară între modul în care sunt configurate și funcționează etajele de ieșire. Principalele caracteristici de funcționare a unui amplificator ideal sunt liniaritatea, amplificarea semnalului, eficiența și puterea, dar în amplificatoarele din lumea reală există întotdeauna un compromis între aceste caracteristici diferite.

În general, în etajele de ieșire ale sistemelor de amplificare audio sunt utilizate amplificatoare de semnale mari sau de putere pentru a acționa o sarcină ca difuzoarele. Un difuzor tipic are o impedanță între 4Ω și 8Ω, deci un amplificator de putere trebuie să poată furniza curenții de vârf înalți necesari pentru a acționa difuzorul cu impedanță redusă.

O metodă utilizată pentru a distinge caracteristicile electrice ale diferitelor tipuri de amplificatoare este prin "clasă", amplificatoarele fiind clasificate în funcție de configurația circuitelor și de modul de funcționare. Deci, clase de amplificatoare este termenul folosit pentru a diferenția diferitele tipuri de amplificatoare.

Clasa amplificatorului reprezintă cantitatea semnalului de ieșire care variază în circuitul amplificatorului pe parcursul unui ciclu de funcționare când este excitat de un semnal sinusoidal de intrare. Clasificarea amplificatoarelor variază de la funcționarea în întregime liniară (pentru utilizarea în amplificarea semnalului de înaltă fidelitate) cu eficiență foarte scăzută, până la funcționarea neliniară (unde reproducerea fidelă a semnalului nu este atât de importantă), dar cu o eficiență mult mai mare, în timp ce altele sunt un compromis între cele două.

Clasele de amplificatoare sunt concentrate în principal în două grupuri de bază. Primele sunt amplificatoarele cu unghi de conducție controlat clasic care formează cele mai comune clase de amplificatoare A, B, AB și C, care sunt definite de lungimea stării lor de conducție pe o anumită porțiune a formei de undă de ieșire, undeva intre "complet ON" și "complet OFF".

Al doilea set de amplificatoare sunt cele mai noi clase de amplificatoare de tip "switching" D, E, F, G, S, T etc care utilizează circuite digitale și modulația lățimii impulsului (PWM) pentru a comuta constant semnalul între "complet ON" și "complet OFF" comandând ieșirea în regiunile de saturație și de tăiere (cut-off) a tranzistoarelor.

Cea mai frecvent construită clasă de amplificatoare sunt cele care sunt folosite ca amplificatoare audio, în principal, clasa A, B, AB și C și pentru a păstra lucrurile simple, este vorba despre aceste tipuri de clase de amplificatoare pe care le vom analiza aici în detaliu.

Amplificator clasă A

Amplificatoarele clasă A sunt cele mai comune tipuri de clase de amplificatoare datorate în principal schemei lor simple. Clasa A înseamnă literalmente "cea mai bună clasă" de amplificatoare, datorată în principal nivelelor scăzute de distorsionare a semnalului. Amplificatorul clasa A are cea mai mare liniaritate față de celelalte clase de amplificatoare și, ca atare, operează în porțiunea liniară a curbei caracteristicilor.

În general, amplificatoarele clasă A utilizează același tranzistor unic (Bipolar, FET, IGBT etc.), conectat în configurație de emitor-comun, pentru ambele alternanțe ale formei de undă, tranzistorul având întotdeauna curent care trece prin el, chiar dacă nu are semnal în bază. Aceasta înseamnă că etajul de ieșire, indiferent dacă utilizează un dispozitiv bipolar, MOSFET sau IGBT, nu este niciodată comandat pe deplin în regiunile sale de cut-off sau de saturație, ci are în schimb un punct-Q de polarizare a bazei în mijlocul liniei sale de sarcină. Deci, tranzistorul nu comută niciodată "OFF", ceea ce este unul din principalele sale dezavantaje.

Amplificator clasă A

Pentru a obține liniaritate și câștig ridicat, etajul de ieșire al unui amplificator clasă A este polarizat "ON" (conducție) tot timpul. Atunci, pentru ca un amplificator să fie clasificat "Clasa A", curentul de gol pentru semnal zero în etajul de ieșire trebuie să fie egal cu (sau mai mare decât) curentul maxim de sarcină (de obicei un difuzor) necesar pentru a produce cel mai mare semnal de ieșire.

Deoarece amplificatorul clasă A operează în porțiunea liniară a curbelor sale caracteristice, dispozitivul de ieșire unic conduce pe 360 de grade complet al formei de undă de ieșire. Deci, amplificatorul clasă A este echivalent cu o sursă de curent.

Deoarece un amplificator clasă A operează în regiunea liniară, tensiunea de polarizare DC a bazei tranzistorului (sau a porții) trebuie aleasă adecvat pentru a asigura funcționare corectă și distorsiune redusă. Dar, deoarece dispozitivul de ieșire este "ON" în permanență, acesta este în mod constant purtător de curent, ceea ce reprezintă o pierdere continuă de putere în amplificator.

Datorită acestei pierderi continue de putere, amplificatoarele de clasă A generează cantități extraordinare de căldură, adăugând la eficiența foarte scăzută de aproximativ 30%, ceea ce le face impracticabile pentru amplificările de mare putere. De asemenea, datorită curentului de gol ridicat al amplificatorului, sursa de alimentare trebuie să fie dimensionată corespunzător și să fie bine filtrată pentru a evita orice zgomot și brum al amplificatorului. Prin urmare, datorită problemelor reduse de eficiență și de supra-încălzire a amplificatoarelor clasă A, au fost dezvoltate clase de amplificatoare mai eficiente.

Amplificator clasă B

Amplificatoarele clasă B au fost inventate ca o soluție la problemele de eficiență și de încălzire ale amplificatorului de clasă anterioară. Amplificatorul clasă B utilizează două tranzistoare complementare, bipolare sau FET, pentru fiecare alternanță a formei de undă, cu etajul de ieșire configurat într-un aranjament tip "push-pull" astfel încât fiecare tranzistor amplifică doar o alternanță din forma de undă de ieșire.

În amplificatorul clasă B, nu există nici un curent de polarizare DC a bazei, deoarece curentul său static este zero, astfel încât puterea DC este mică și, prin urmare, eficiența sa este mult mai mare decât cea a amplificatorului clasă A. Dar, prețul plătit pentru îmbunătățirea eficienței este în liniaritatea dispozitivului de comutare.

Amplificator clasă B

Când semnalul de intrare devine pozitiv, tranzistorul polarizat pozitiv conduce în timp ce tranzistorul polarizat negativ este comutat "OFF". La fel, când semnalul de intrare devine negativ, tranzistorul polarizat pozitiv comută "OFF" în timp ce tranzistorul polarizat negativ comută "ON" și conduce porțiunea negativă a semnalului. Astfel, tranzistorul conduce numai jumătate din timp, fie pe alternanța pozitivă fie pe cea negativă a semnalului de intrare.

Atunci, putem vedea că fiecare tranzistor al amplificatorului clasă B conduce numai o jumătate sau 180 de grade din forma de undă de ieșire în alternanța strictă de timp, dar deoarece etajul de ieșire are dispozitive pentru ambele alternanțe ale formei de undă a semnalului, cele două alternanțe sunt combinate pentru a produce forma de undă de ieșire complet liniară.

Această schemă push-pull a amplificatorului este în mod evident mai eficientă decât clasa A, la aproximativ 50%, dar problema cu amplificatorul clasă B este că poate crea distorsiuni la punctul de trecere prin zero a formei de undă datorită benzii insensibile a tranzistoarelor la tensiunile de intrare în bază de la -0,7 V la +0,7 V.

Ne amintim din tutorialul Tranzistor că are nevoie de o tensiune bază-emitor de aproximativ 0,7 volți pentru a face un tranzistor bipolar să conducă. Atunci, într-un amplificator clasă B, tranzistorul de ieșire nu este "polarizat" într-o stare de funcționare "ON" până când această tensiune nu este depășită.

Aceasta înseamnă că partea formei de undă care se încadrează în această fereastră de 0,7 volți nu va fi reprodusă cu precizie, făcând amplificatorul clasă B impropriu aplicațiilor cu amplificator audio de precizie.

Pentru a depăși această distorsiune a trecerii prin zero (cunoscută și sub numele de distorsiune Crossover), s-au dezvoltat amplificatoare clasă AB.

Amplificator clasă AB

După cum sugerează și numele, amplificatorul clasă AB este o combinație a amplificatoarelor "Clasa A" și "Clasa B" pe care le-am analizat mai sus. Clasificarea AB a amplificatorului este în prezent unul dintre cele mai utilizate tipuri de amplificatoare audio de putere. Amplificatorul clasă AB este o variantă a unui amplificator clasă B, așa cum este descris mai sus, cu excepția faptului că ambele dispozitive sunt permise să conducă în același timp în jurul punctului de traversare a formei de undă eliminând problemele de distorsiune crossover ale amplificatorului anterior clasă B.

Cele două tranzistoare au o tensiune de polarizare foarte mică, de obicei de la 5 până la 10% din curentul static, pentru a polariza tranzistoarele chiar deasupra punctului său de cut-off. Atunci, dispozitivul de conducție, bipolar sau FET, va fi "ON" pentru mai mult de o alternanță de ciclu, dar mult mai puțin decât un ciclu complet al semnalului de intrare. Prin urmare, într-un amplificator clasă AB, fiecare dintre tranzistoarele push-pull conduce pentru puțin mai mult decât jumătatea ciclului de conducție din clasa B, dar mult mai puțin decât ciclul complet de conducție din clasa A.

Cu alte cuvinte, unghiul de conducție al unui amplificator clasa AB este undeva intre 180^o și 360^o în funcție de punctul de polarizare ales, așa cum este arătat.

Amplificator clasă AB

Avantajul acestei mici tensiuni de polarizare, furnizată de diode sau rezistoare serie, este că distorsiunea crossover creată de caracteristicile amplificatorului clasă B este depășită, fără ineficiența amplificatorului clasă A. Așadar, amplificatorul clasă AB este un compromis bun între clasa A și clasa B în termeni de eficiență și liniaritate, cu eficiența conversiei ajungând de la aproximativ 50% până la 60%.

Amplificator clasa C

Amplificatorul clasa C are cea mai mare eficiență, dar cea mai slabă liniaritate a claselor de amplificatoare menționate aici. Clasele anterioare A, B și AB sunt considerate amplificatoare liniare, deoarece amplitudinea și faza semnalelor de ieșire sunt linear legate de amplitudinea și faza semnalelor de intrare.

Însă, amplificatorul de clasa C este puternic polarizat, astfel încât curentul de ieșire este zero pentru mai mult de jumătate dintr-un ciclu de semnal sinusoidal de intrare cu tranzistorul în gol la punctul său de cut-off. Cu alte cuvinte, unghiul de conducție pentru tranzistor este semnificativ mai mic de 180 de grade, și este, în general, în jurul valorii de 90 de grade.

În timp ce această formă de polarizare a tranzistorului oferă o eficiență mult îmbunătățită, de aproximativ 80%, amplificatorului, aceasta introduce o distorsiune foarte mare a semnalului de ieșire. Prin urmare, amplificatoarele de clasa C nu sunt adecvate pentru utilizarea ca amplificatoare audio.

Amplificator clasa C

Datorită distorsiunii sale audio puternice, amplificatoarele clasă C sunt utilizate frecvent la oscilatoarele cu unde sinusoidale de înaltă frecvență și la anumite tipuri de amplificatoare de frecvență radio, în care impulsurile de curent produse la ieșirea amplificatoarelor pot fi convertite în unde sinus complete, de o anumită frecvență, prin utilizarea circuitelor rezonante LC în circuitul său de colector.

Rezumat Clase de amplificatoare

Am văzut că punctul de operare DC static (punctul-Q) al unui amplificator determină clasificarea amplificatorului. Prin stabilirea poziției punctului-Q la jumătatea liniei de sarcină a curbei caracteristicilor amplificatorului, amplificatorul va funcționa ca un amplificator clasă A. Prin mutarea punctului-Q în jos pe linia de sarcină se schimbă amplificatorul într-o clasă AB, B sau C.

Deci, clasa de funcționare a amplificatorului raportată la punctul de funcționare DC poate fi dată de:

Clase de amplificatoare și eficiența

La fel ca și amplificatoarele audio, există un număr de clase de amplificatoare de înaltă eficiență referitoare la modelele de amplificatoare de comutare care folosesc diferite tehnici de comutare pentru a reduce pierderile de putere și a spori eficiența. Unele modele de clasă de amplificare enumerate mai jos utilizează rezonatoare RLC sau tensiuni multiple de alimentare pentru a reduce pierderile de putere sau sunt amplificatoare de tip DSP (digital signal processing) digitale care utilizează tehnici de comutare cu modulația lățimii impulsului (PWM).

Alte clase comune de amplificatoare

• • Amplificatorul clasă D - amplificatorul audio de clasă D este, în principiu, un amplificator nelinear de comutare sau un amplificator PWM. Amplificatoarele clasa D pot atinge, teoretic, o eficiență de 100%, deoarece nu există o perioadă în timpul unui ciclu, unde formele de undă de tensiune și curent se suprapun, deoarece curentul este tras doar prin tranzistorul care este pornit.

  • Amplificatorul clasă F - Amplificatoarele clasa-F amplifică atât eficiența, cât și ieșirea prin utilizarea rezonatorilor armonici în rețeaua de ieșire pentru a modela forma de undă de ieșire într-o undă dreptunghiulară. Amplificatoarele de clasă F sunt capabile de o eficiență ridicată de peste 90% dacă se utilizează ajustaj armonic infinit.

  • Amplificator clasa G - Clasa G oferă îmbunătățiri ale schemei amplificatorului clasă AB. Clasa G utilizează șine de alimentare cu diferite tensiuni de diferite tensiuni și comută automat între aceste șine de alimentare la schimbarea semnalului de intrare. Această comutare constantă reduce consumul mediu de putere și, prin urmare, pierderile de putere cauzate de căldura pierdută.

  • Amplificatorul clasa I - Amplificatorul clasa I are două seturi de dispozitive de comutare de ieșire complementare dispuse într-o configurație push-pull paralelă, ambele seturi de dispozitive de comutare prelevând aceeași formă de undă de intrare. Un dispozitiv comută alternanța pozitivă a formei de undă, în timp ce cealaltă comută alternanța negativă, similar unui amplificator clasă B. Dacă nu este aplicat niciun semnal de intrare sau atunci când un semnal atinge punctul de trecere prin zero, dispozitivele de comutare sunt ambele comutate ON și OFF simultan cu un ciclu de funcționare PWM de 50% care anulează semnalele de frecvență înaltă.

    • Pentru a produce alternanța pozitivă a semnalului de ieșire, ieșirea dispozitivului de comutare pozitivă este mărită în timpul ciclului de funcționare, în timp ce ieșirea dispozitivului de comutare negativă este scăzută la fel și vice-versa. Cei doi curenți de semnal de comutare sunt considerați a fi intercalați la ieșire, dând amplificatorului clasa I denumirea de: "amplificator PWM intercalat" care funcționează la frecvențe de comutare mai mari de 250 kHz.

  • Amplificatorul clasa S - amplificatorul de putere clasa S este un amplificator de mod nelinear de comutare, similar cu cel al amplificatorului clasă D. Amplificatorul clasă S convertește semnalele de intrare analogice în impulsuri de undă dreptunghiulară digitală printr-un modulator delta-sigma și le amplifică pentru a crește puterea de ieșire înainte de a fi demodulat, în cele din urmă, printr-un filtru trece-bandă. Deoarece semnalul digital al acestui amplificator de comutare este întotdeauna fie complet "ON", fie "OFF" (disipare de putere teoretic zero), sunt posibile eficiențe care ajung la 100%.

  • Amplificatorul clasă T - amplificatorul clasă T este un alt tip de amplificator digital de comutare. Amplificatoarele clasă T încep să devină din ce în ce mai populare în prezent ca amplificator audio datorită existenței cipurilor de procesare digitală a semnalului (DSP) și a amplificatoarelor de sunet surround multi-canal, deoarece convertesc semnalele analogice în semnale digitale (PWM) pentru amplificare crescând eficiența amplificatoarelor. Amplificatorul clasă T combină atât nivelele de semnal cu distorsiune redusă ale amplificatorului clasă AB, cât și eficiența de putere a unui amplificator clasă D.

Am văzut aici un număr de clasificări a amplificatoarelor, variind de la amplificatoare de putere liniară la amplificatoare de comutare neliniară, și am văzut cum diferă o clasă de amplificatoare de-a lungul liniei de sarcină a amplificatoarelor. Amplificatoarele de clasă AB, B și C pot fi definite în termenii unghiului de conducție θ după cum urmează:

Clasa amplificatoarelor după unghiul de conducție