Bộ khuếch đại Class AB

Bộ khuếch đại Class AB

Giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại Class AB kết hợp những ưu điểm của bộ khuếch đại Class A và bộ khuếch đại Class B tạo ra một thiết kế bộ khuếch đại tốt hơn

Mục đích của bất kỳ bộ khuếch đại nào là tạo ra một đầu ra tuân theo các đặc tính của tín hiệu đầu vào nhưng đủ lớn để cung cấp nhu cầu của tải kết nối với nó.

Chúng ta đã thấy rằng công suất đầu ra của bộ khuếch đại là sản phẩm của điện áp và dòng điện, (P = V * I) được áp dụng cho tải, trong khi đầu vào công suất là tích của điện áp một chiều và dòng điện lấy từ nguồn điện.

Mặc dù độ khuếch đại của bộ khuếch đại Class A, (trong đó bóng bán dẫn đầu ra dẫn 100% thời gian) có thể cao, nhưng hiệu suất của việc chuyển đổi từ nguồn điện một chiều sang đầu ra điện xoay chiều nói chung là kém dưới 50%. Tuy nhiên, nếu chúng ta sửa đổi mạch khuếch đại Class A để hoạt động ở chế độ Class B, (trong đó mỗi bóng bán dẫn chỉ dẫn điện trong 50% thời gian) thì dòng điện thu chạy trong mỗi bóng bán dẫn chỉ 180 o của chu kỳ. Ưu điểm ở đây là hiệu suất chuyển đổi DC-to-AC cao hơn nhiều vào khoảng 75%, nhưng cấu hình Class B này dẫn đến sự biến dạng của tín hiệu đầu ra có thể không chấp nhận được.

Một cách để tạo ra một bộ khuếch đại với đầu ra hiệu suất cao của cấu hình Loại B cùng với độ méo thấp của cấu hình Loại A là tạo ra một mạch khuếch đại là sự kết hợp của hai lớp trước đó tạo ra một loại mạch khuếch đại mới được gọi là một Bộ khuếch đại Class AB . Sau đó, giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại Class AB kết hợp những ưu điểm của bộ khuếch đại Class A và bộ khuếch đại Class B trong khi giảm thiểu các vấn đề về hiệu suất thấp và sự biến dạng liên quan đến chúng.

Như chúng ta đã nói ở trên, Bộ khuếch đại Class AB là sự kết hợp của Loại A và B trong đó đối với đầu ra công suất nhỏ, bộ khuếch đại hoạt động như một bộ khuếch đại loại A nhưng chuyển sang bộ khuếch đại loại B để có đầu ra dòng điện lớn hơn. Hành động này đạt được bằng cách phân cực trước hai bóng bán dẫn trong giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại. Sau đó, mỗi bóng bán dẫn sẽ dẫn từ 180 o đến 360 o thời gian tùy thuộc vào lượng đầu ra hiện tại và xu hướng trước. Do đó, tầng đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động như một bộ khuếch đại Class AB.

Đầu tiên chúng ta hãy xem xét so sánh các tín hiệu đầu ra cho các lớp hoạt động của bộ khuếch đại khác nhau.

So sánh các loại bộ khuếch đại khác nhau

Sau đó, các lớp khuếch đại luôn được xác định như sau:

• Lớp A:  - Bóng bán dẫn đầu ra đơn của bộ khuếch đại dẫn trong 360 o chu kỳ của dạng sóng đầu vào.
• Loại B:  - Bộ khuếch đại hai bóng bán dẫn đầu ra chỉ dẫn trong một nửa, nghĩa là 180 o của dạng sóng đầu vào.
• Lớp AB:  - Bộ khuếch đại hai bóng bán dẫn đầu ra dẫn ở đâu đó giữa 180 o và 360 o của dạng sóng đầu vào.

Hoạt động của Bộ khuếch đại Class A

Đối với hoạt động của bộ khuếch đại Class A, điểm Q của bóng bán dẫn chuyển mạch được đặt gần tâm của đường tải đặc tính đầu ra của bóng bán dẫn và trong vùng tuyến tính. Điều này cho phép bóng bán dẫn dẫn trong 360 o hoàn toàn để tín hiệu đầu ra thay đổi trong toàn bộ chu kỳ của tín hiệu đầu vào.

Ưu điểm chính của Class A là tín hiệu đầu ra sẽ luôn là sự tái tạo chính xác của tín hiệu đầu vào giúp giảm méo. Tuy nhiên nó có hiệu suất kém, bởi vì để phân cực transistor ở trung tâm của đường tải phải luôn có một dòng điện tĩnh DC phù hợp chạy qua transistor chuyển mạch ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào để khuếch đại.

Hoạt động của Bộ khuếch đại Class B

Đối với hoạt động của bộ khuếch đại Class B, hai bóng bán dẫn chuyển mạch miễn phí được sử dụng với điểm Q (đó là điểm phân cực của nó) của mỗi bóng bán dẫn nằm tại điểm cắt của nó.

Điều này cho phép một bóng bán dẫn khuếch đại tín hiệu trên một nửa dạng sóng đầu vào, trong khi bóng bán dẫn kia khuếch đại nửa còn lại. Hai nửa khuếch đại này sau đó được kết hợp với nhau tại tải để tạo ra một chu kỳ dạng sóng đầy đủ. Cặp miễn phí NPN-PNP này còn được gọi là cấu hình kéo đẩy.

Do xu hướng cắt, dòng tĩnh bằng 0 khi không có tín hiệu đầu vào, do đó không có điện năng bị tiêu tán hoặc lãng phí khi các bóng bán dẫn ở trạng thái tĩnh, làm tăng hiệu suất tổng thể của bộ khuếch đại Class B so với Class A .

Tuy nhiên, vì bộ khuếch đại Class B được phân cực để dòng điện đầu ra chạy qua mỗi bóng bán dẫn chỉ trong một nửa chu kỳ đầu vào, dạng sóng đầu ra do đó không phải là bản sao chính xác của dạng sóng đầu vào vì tín hiệu đầu ra bị méo. Sự biến dạng này xảy ra ở mọi điểm giao nhau bằng không của tín hiệu đầu vào tạo ra cái thường được gọi là biến dạng chéo khi hai bóng bán dẫn chuyển “BẬT” giữa chúng.

Vấn đề méo này có thể dễ dàng khắc phục bằng cách định vị điểm phân cực của bóng bán dẫn ở trên điểm cắt một chút. Bằng cách thiên vị bóng bán dẫn cao hơn một chút so với điểm cắt của nó nhưng thấp hơn nhiều so với điểm trung tâm Q của bộ khuếch đại lớp A, chúng ta có thể tạo ra một mạch khuếch đại Lớp AB. Sau đó, mục đích cơ bản của bộ khuếch đại Class AB là duy trì cấu hình Class B cơ bản trong khi đồng thời cải thiện độ tuyến tính của nó bằng cách thiên vị mỗi bóng bán dẫn chuyển mạch cao hơn ngưỡng một chút.

Bộ khuếch đại xu hướng A Class AB

Vì vậy, làm thế nào để chúng tôi làm điều này. Bộ khuếch đại Class AB có thể được tạo ra từ tầng đẩy-kéo Class B tiêu chuẩn bằng cách chuyển hướng cả hai bóng bán dẫn chuyển đổi thành dẫn truyền nhẹ, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào. Sự sắp xếp xu hướng nhỏ này đảm bảo rằng cả hai bóng bán dẫn dẫn điện đồng thời trong một phần rất nhỏ của dạng sóng đầu vào hơn 50% chu kỳ đầu vào, nhưng ít hơn 100%.

Dải chết 0,6 đến 0,7V (giảm một vôn diode thuận) tạo ra hiệu ứng méo chéo trong bộ khuếch đại Class B được giảm đáng kể bằng cách sử dụng xu hướng phù hợp. Xu hướng trước của các thiết bị bóng bán dẫn có thể đạt được theo một số cách khác nhau bằng cách sử dụng phân cực điện áp đặt trước, mạng phân áp hoặc bằng cách sử dụng sắp xếp điốt nối tiếp.

Xu hướng điện áp bộ khuếch đại Class AB

Ở đây sự phân cực của các bóng bán dẫn đạt được bằng cách sử dụng một điện áp phân cực cố định thích hợp đặt trên các cơ sở của TR1 và TR2 . Sau đó, có một khu vực mà cả hai bóng bán dẫn đang dẫn và dòng điện cực góp nhỏ chạy qua TR1 kết hợp với dòng điện cực góp tĩnh nhỏ chạy qua TR2 và đi vào tải.

Khi tín hiệu đầu vào đi tích cực, điện áp tại căn cứ của TR1 làm tăng sản xuất một sản lượng tích cực của một số lượng tương tự mà làm tăng thu hiện tại chảy qua TR1 tìm nguồn cung ứng hiện tại để tải, R L . Tuy nhiên, bởi vì hiệu điện thế giữa hai đế là cố định và không đổi, bất kỳ sự gia tăng nào trong độ dẫn điện của TR1 sẽ làm giảm độ dẫn truyền của TR2 bằng nhau và ngược chiều trong nửa chu kỳ dương.

Kết quả là, bóng bán dẫn TR2 cuối cùng tắt để lại bóng bán dẫn phân cực thuận, TR1 để cung cấp tất cả mức tăng hiện tại cho tải. Tương tự như vậy, đối với nửa âm của điện áp đầu vào thì điều ngược lại xảy ra. Tức là TR2 tiến hành làm chìm dòng tải trong khi TR1 tắt khi tín hiệu đầu vào trở nên âm hơn.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng khi điện áp đầu vào, V IN bằng không, cả hai bóng bán dẫn đều dẫn điện nhẹ do xu hướng điện áp của chúng, nhưng khi điện áp đầu vào trở nên tích cực hơn hoặc tiêu cực hơn, một trong hai bóng bán dẫn dẫn nhiều hơn hoặc chìm nguồn cung cấp tải hiện hành. Vì quá trình chuyển đổi giữa hai bóng bán dẫn diễn ra gần như ngay lập tức và diễn ra suôn sẻ, nên hiện tượng méo chéo ảnh hưởng đến cấu hình Class B sẽ giảm đáng kể. Tuy nhiên, xu hướng không chính xác có thể gây ra các đột biến méo chéo rõ nét khi chuyển đổi hai bóng bán dẫn.

Việc sử dụng điện áp xu hướng cố định cho phép mỗi bóng bán dẫn dẫn điện trong hơn một nửa chu kỳ đầu vào, (hoạt động Lớp AB). Tuy nhiên, không thực tế lắm nếu có thêm pin trong thiết kế sân khấu đầu ra của bộ khuếch đại. Một cách rất đơn giản và dễ dàng để tạo ra hai điện áp xu hướng cố định để đặt điểm Q ổn định gần điểm cắt của bóng bán dẫn, là sử dụng mạng phân chia điện trở.

Xu hướng điện trở bộ khuếch đại Class AB

Khi một dòng điện chạy qua một điện trở, sự sụt giảm điện áp được hình thành trên điện trở được xác định bởi định luật Ohm. Vì vậy, bằng cách đặt hai hoặc nhiều điện trở mắc nối tiếp trên một điện áp cung cấp, chúng ta có thể tạo ra một mạng phân áp tạo ra một tập hợp các điện áp cố định ở các giá trị mà chúng ta chọn.

Mạch cơ bản tương tự như mạch phân cực điện áp ở trên ở chỗ các bóng bán dẫn, TR1 và TR2 dẫn trong nửa chu kỳ ngược lại của dạng sóng đầu vào. Tức là, khi V IN trong là dương, TR1 dẫn và khi V IN là âm, TR2 dẫn .

Bốn điện trở R1 đến R4 được kết nối qua điện áp cung cấp Vcc để cung cấp xu hướng điện trở cần thiết. Hai điện trở R1 và R4 được chọn để đặt điểm Q ở trên cắt một chút với giá trị đúng của V BE được đặt vào khoảng 0,6V sao cho điện áp giảm trên mạng điện trở đưa cơ sở của TR1 xuống khoảng 0,6 V và của TR2 khoảng –0,6V.

Khi đó, tổng điện áp giảm trên các điện trở phân cực R2 và R3 là khoảng 1,2 vôn, thấp hơn giá trị cần thiết để bật hoàn toàn mỗi bóng bán dẫn. Bằng cách thiên vị các bóng bán dẫn ngay trên điểm cắt, giá trị của dòng điện cực góp tĩnh, I CQ , sẽ bằng không. Ngoài ra, vì cả hai bóng bán dẫn chuyển mạch được kết nối hiệu quả trong chuỗi qua nguồn cung cấp, điện áp V CEQ giảm trên mỗi bóng bán dẫn sẽ xấp xỉ một nửa Vcc .

Trong khi xu hướng điện trở của bộ khuếch đại Class AB hoạt động trên lý thuyết, thì dòng điện cực góp của bóng bán dẫn rất nhạy cảm với những thay đổi trong điện áp xu hướng cơ sở của nó, V BE . Ngoài ra, điểm cắt của hai bóng bán dẫn bổ sung có thể không giống nhau, vì vậy việc tìm kiếm sự kết hợp điện trở chính xác trong mạng phân áp có thể gặp rắc rối. Một cách để khắc phục điều này là sử dụng một điện trở có thể điều chỉnh để đặt đúng điểm Q như hình vẽ.

Xu hướng bộ khuếch đại có thể điều chỉnh

Một điện trở có thể điều chỉnh, hoặc chiết áp có thể được sử dụng để phân cực cả hai bóng bán dẫn trên bờ vực dẫn. Sau đó, các bóng bán dẫn TR1 và TR2 được phân cực thông qua R B1 -VR1-R B2 để các đầu ra của chúng được cân bằng và dòng điện tĩnh bằng không chạy vào tải.

Tín hiệu đầu vào được áp dụng qua các tụ điện C1 và C2 được chồng lên các điện áp xu hướng và được áp dụng cho các đế của cả hai bóng bán dẫn. Lưu ý rằng cả hai tín hiệu được áp dụng cho mỗi cơ sở có cùng tần số và biên độ khi chúng xuất phát từ V IN .

Ưu điểm của cách sắp xếp xu hướng điều chỉnh này là mạch khuếch đại cơ bản không yêu cầu sử dụng các bóng bán dẫn miễn phí với các đặc tính điện phù hợp chặt chẽ hoặc và tỷ lệ điện trở chính xác trong mạng phân áp vì chiết áp có thể được điều chỉnh để bù.

Vì điện trở là thiết bị thụ động chuyển đổi công suất điện thành nhiệt do định mức công suất của nó, nên xu hướng điện trở của bộ khuếch đại Class AB, cố định hoặc điều chỉnh, có thể rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ. Bất kỳ thay đổi nhỏ nào trong nhiệt độ hoạt động của điện trở xu hướng (hoặc bóng bán dẫn) có thể ảnh hưởng đến giá trị của chúng, tạo ra những thay đổi không mong muốn trong dòng điện thu tĩnh của mỗi bóng bán dẫn. Một cách để khắc phục vấn đề liên quan đến nhiệt độ này là thay thế các điện trở bằng điốt để sử dụng xu hướng điốt.

Xu hướng Diode Khuếch đại Class AB

Mặc dù việc sử dụng điện trở phân cực có thể không giải quyết được vấn đề nhiệt độ, nhưng một cách để bù cho bất kỳ sự thay đổi nào liên quan đến nhiệt độ trong điện áp bộ phát gốc, ( V BE ) là sử dụng một cặp điốt phân cực thuận bình thường trong cách sắp xếp xu hướng bộ khuếch đại như hình minh họa .

Một dòng điện không đổi nhỏ chạy qua đoạn mạch nối tiếp R1-D1-D2-R2 , tạo ra điện áp giảm đối xứng hai bên đầu vào. Khi không có điện áp tín hiệu đầu vào được áp dụng, điểm giữa hai điốt bằng không vôn. Khi dòng điện chạy qua chuỗi, có sự sụt giảm điện áp phân cực thuận khoảng 0,7V trên các điốt được áp dụng cho các điểm nối bộ phát gốc của các bóng bán dẫn chuyển mạch.

Do đó, điện áp giảm trên các điốt, thiên vị giá trị của bóng bán dẫn TR1 vào khoảng 0,7 vôn và giá trị của bóng bán dẫn TR2 vào khoảng –0,7 vôn. Do đó, hai điốt silicon cung cấp điện áp giảm không đổi khoảng 1,4 vôn giữa hai đế phân cực chúng trên mức cắt.

Khi nhiệt độ của mạch tăng lên, nhiệt độ của các điốt cũng vậy khi chúng nằm cạnh các bóng bán dẫn. Do đó, điện áp qua đường giao nhau PN của diode làm giảm sự chuyển hướng của một số dòng điện cơ bản của bóng bán dẫn ổn định dòng điện thu của bóng bán dẫn.

Nếu các đặc tính điện của điốt phù hợp chặt chẽ với đặc tính của điểm tiếp giáp gốc-phát của bóng bán dẫn, thì dòng điện chạy trong điốt và dòng điện trong bóng bán dẫn sẽ giống nhau tạo ra cái được gọi là gương dòng điện. Hiệu ứng của gương hiện tại này bù đắp cho sự thay đổi nhiệt độ tạo ra hoạt động Class AB cần thiết, do đó loại bỏ bất kỳ biến dạng chéo nào.

Trong thực tế, xu hướng diode dễ dàng được thực hiện trong các bộ khuếch đại mạch tích hợp hiện đại vì cả diode và bóng bán dẫn chuyển mạch đều được chế tạo trên cùng một chip, chẳng hạn như trong IC khuếch đại công suất âm thanh LM386. Điều này có nghĩa là cả hai đều có các đường cong đặc tính giống nhau trong một sự thay đổi nhiệt độ rộng, cung cấp sự ổn định nhiệt của dòng điện tĩnh.

Xu hướng của tầng đầu ra bộ khuếch đại Class AB thường được điều chỉnh để phù hợp với một ứng dụng bộ khuếch đại cụ thể. Dòng điện tĩnh của bộ khuếch đại được điều chỉnh về 0 để giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng, như trong hoạt động Class B hoặc được điều chỉnh để dòng điện tĩnh rất nhỏ chạy qua để giảm thiểu sự biến dạng chéo tạo ra hoạt động của bộ khuếch đại Class AB thực sự.

Trong các ví dụ về xu hướng Class AB ở trên, tín hiệu đầu vào được ghép trực tiếp với các đế của bóng bán dẫn chuyển mạch bằng cách sử dụng tụ điện. Nhưng chúng ta có thể cải thiện tầng đầu ra của bộ khuếch đại Class AB hơn một chút bằng cách bổ sung tầng trình điều khiển bộ phát chung đơn giản như được minh họa.

Giai đoạn điều khiển bộ khuếch đại Class AB

Transistor TR3 hoạt động như một nguồn hiện tại thiết lập dòng điện xu hướng DC cần thiết chạy qua các điốt. Điều này đặt điện áp đầu ra tĩnh là Vcc / 2 . Khi tín hiệu đầu vào điều khiển cơ sở của TR3 , nó hoạt động như một tầng khuếch đại điều khiển cơ sở của TR1 và TR2 với nửa dương của chu kỳ đầu vào điều khiển TR1 trong khi TR2 tắt và nửa âm của chu kỳ đầu vào điều khiển TR2 trong khi TR1 là tắt, giống như trước đây.

Giống như với hầu hết các mạch điện tử, có nhiều cách khác nhau để thiết kế tầng đầu ra của bộ khuếch đại công suất vì có thể thực hiện nhiều biến thể và sửa đổi đối với mạch đầu ra bộ khuếch đại cơ bản. Công việc của bộ khuếch đại công suất là cung cấp một mức công suất đầu ra đáng kể (cả dòng điện cũng như điện áp) cho tải được kết nối với mức hiệu quả hợp lý. Điều này có thể đạt được bằng cách vận hành (các) bóng bán dẫn ở một trong hai chế độ hoạt động cơ bản, Class A hoặc Class B.

Một cách để vận hành bộ khuếch đại với mức hiệu quả hợp lý là sử dụng tầng đầu ra Class B đối xứng dựa trên các bóng bán dẫn NPN và PNP bổ sung. Với mức xu hướng thuận phù hợp, nó có thể làm giảm mọi biến dạng chéo do hai bóng bán dẫn đều bị cắt trong một khoảng thời gian ngắn của mỗi chu kỳ và như chúng ta đã thấy ở trên, một mạch như vậy được gọi là Lớp AB bộ khuếch đại.

Sau đó, kết hợp tất cả lại với nhau, bây giờ chúng ta có thể thiết kế một mạch khuếch đại công suất Class AB đơn giản như hình minh họa, tạo ra khoảng một watt thành 16 ohms với tần số đáp ứng khoảng 20Hz đến 20kHz.

Bộ khuếch đại Class AB

Tóm tắt về Bộ khuếch đại Class AB

Chúng ta đã thấy ở đây rằng bộ khuếch đại Class AB được phân cực để dòng điện đầu ra chảy trong ít hơn một chu kỳ đầy đủ của dạng sóng đầu vào nhưng hơn một nửa chu kỳ. Việc triển khai các bộ khuếch đại Class AB rất giống với các cấu hình Class B tiêu chuẩn ở chỗ nó sử dụng hai bóng bán dẫn chuyển mạch như một phần của giai đoạn đầu ra bổ sung với mỗi bóng bán dẫn dẫn trên các nửa chu kỳ đối diện của dạng sóng đầu vào trước khi được kết hợp tại tải.

Do đó, bằng cách cho phép cả hai bóng bán dẫn chuyển mạch dẫn dòng điện đồng thời trong một khoảng thời gian rất ngắn, dạng sóng đầu ra trong khoảng thời gian phân tần bằng 0 có thể được làm mịn đáng kể, giảm sự biến dạng chéo liên quan đến thiết kế bộ khuếch đại Class B. Khi đó góc dẫn lớn hơn 180 o nhưng nhỏ hơn nhiều so với 360 o .

Chúng tôi cũng đã thấy rằng cấu hình bộ khuếch đại Class AB hiệu quả hơn so với bộ khuếch đại Class A nhưng kém hiệu quả hơn một chút so với Class B do dòng điện tĩnh nhỏ cần thiết để phân cực các bóng bán dẫn ngay trên điểm cắt. Tuy nhiên, việc sử dụng xu hướng không chính xác có thể gây ra các gai méo chéo tạo ra tình trạng tồi tệ hơn.

Phải nói rằng, bộ khuếch đại Class AB là một trong những thiết kế khuếch đại công suất âm thanh được ưa thích nhất do sự kết hợp giữa hiệu quả hợp lý và đầu ra chất lượng cao vì chúng có độ méo chéo thấp và độ tuyến tính cao tương tự như thiết kế bộ khuếch đại Class A.