Lớp khuếch đại

Lớp khuếch đại

Bộ khuếch đại được phân thành các lớp theo đặc điểm cấu tạo và hoạt động của chúng

Không phải tất cả các bộ khuếch đại đều giống nhau và có sự phân biệt rõ ràng giữa cách các tầng đầu ra của chúng được cấu hình và hoạt động. Các đặc tính hoạt động chính của một bộ khuếch đại lý tưởng là độ tuyến tính, độ lợi tín hiệu, hiệu suất và công suất đầu ra nhưng trong các bộ khuếch đại thế giới thực luôn có sự cân bằng giữa các đặc điểm khác nhau này.

Nói chung, bộ khuếch đại tín hiệu hoặc công suất lớn được sử dụng trong các giai đoạn đầu ra của hệ thống khuếch đại âm thanh để điều khiển tải loa. Loa thông thường có trở kháng từ 4Ω đến 8Ω, do đó bộ khuếch đại công suất phải có khả năng cung cấp dòng điện đỉnh cao cần thiết để điều khiển loa trở kháng thấp.

Một phương pháp được sử dụng để phân biệt các đặc tính điện của các loại bộ khuếch đại khác nhau là theo "lớp", và các bộ khuếch đại như vậy được phân loại theo cấu hình mạch và phương pháp hoạt động của chúng. Sau đó, Lớp khuếch đại là thuật ngữ được sử dụng để phân biệt giữa các loại bộ khuếch đại khác nhau.

Các Lớp Bộ khuếch đại đại diện cho lượng tín hiệu đầu ra thay đổi trong mạch khuếch đại trong một chu kỳ hoạt động khi được kích thích bởi tín hiệu đầu vào hình sin. Việc phân loại các bộ khuếch đại bao gồm từ hoạt động hoàn toàn tuyến tính (để sử dụng trong khuếch đại tín hiệu có độ trung thực cao) với hiệu suất rất thấp, đến hoạt động hoàn toàn phi tuyến tính (nơi tái tạo tín hiệu trung thực không quá quan trọng) nhưng với hiệu suất cao hơn nhiều, trong khi những hoạt động khác là một sự thỏa hiệp giữa hai điều này.

Các lớp khuếch đại chủ yếu được gộp thành hai nhóm cơ bản. Đầu tiên là các bộ khuếch đại góc dẫn được điều khiển theo kiểu cổ điển tạo thành các lớp khuếch đại phổ biến hơn là A, B, AB và C , được xác định bằng độ dài của trạng thái dẫn của chúng trên một số phần của dạng sóng đầu ra, sao cho hoạt động của bóng bán dẫn ở tầng đầu ra nằm ở đâu đó giữa “BẬT hoàn toàn” và “TẮT hoàn toàn”.

Bộ khuếch đại thứ hai là các lớp khuếch đại “chuyển mạch” mới hơn được gọi là D, E, F, G, S, T , v.v., sử dụng các mạch kỹ thuật số và điều chế độ rộng xung (PWM) để liên tục chuyển đổi tín hiệu giữa “hoàn toàn- BẬT ”và“ TẮT hoàn toàn ”đẩy mạnh đầu ra vào vùng bão hòa và vùng cắt của bóng bán dẫn.

Các lớp khuếch đại được cấu tạo phổ biến nhất là những lớp được sử dụng làm bộ khuếch đại âm thanh, chủ yếu là lớp A, B, AB và C và để giữ cho mọi thứ đơn giản, đó là các loại lớp khuếch đại này chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn ở đây.

Bộ khuếch đại Class A

Bộ khuếch đại loại A là loại cấu trúc liên kết bộ khuếch đại phổ biến nhất vì chúng chỉ sử dụng một bóng bán dẫn chuyển đổi đầu ra (Bipolar, FET, IGBT, v.v.) trong thiết kế bộ khuếch đại của chúng. Bóng bán dẫn đầu ra duy nhất này được phân cực xung quanh điểm Q ở giữa đường tải của nó và do đó không bao giờ được điều khiển vào vùng cắt hoặc bão hòa của nó, do đó cho phép nó dẫn dòng điện trên toàn bộ 360 độ của chu kỳ đầu vào. Sau đó, bóng bán dẫn đầu ra của cấu trúc liên kết lớp A không bao giờ "TẮT", đây là một trong những nhược điểm chính của nó.

Bộ khuếch đại Class “A” được coi là loại tốt nhất của thiết kế bộ khuếch đại chủ yếu do độ tuyến tính tuyệt vời, độ lợi cao và mức độ méo tín hiệu thấp khi được thiết kế chính xác. Mặc dù hiếm khi được sử dụng trong các ứng dụng bộ khuếch đại công suất cao do cân nhắc về nguồn cung cấp nhiệt, bộ khuếch đại lớp A có lẽ là loại âm thanh tốt nhất trong tất cả các loại bộ khuếch đại được đề cập ở đây và như vậy được sử dụng trong các thiết kế bộ khuếch đại âm thanh có độ trung thực cao.

Bộ khuếch đại Class A

Để đạt được độ tuyến tính và độ lợi cao, giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại lớp A luôn được thiên vị “BẬT” (dẫn). Sau đó, để bộ khuếch đại được phân loại là “Loại A”, dòng điện không tải của tín hiệu bằng không trong tầng đầu ra phải bằng hoặc lớn hơn dòng tải tối đa (thường là loa) cần thiết để tạo ra tín hiệu đầu ra lớn nhất.

Khi một bộ khuếch đại lớp A hoạt động trong phần tuyến tính của các đường cong đặc tính của nó, thiết bị đầu ra duy nhất dẫn qua toàn bộ 360 độ của dạng sóng đầu ra. Sau đó, bộ khuếch đại lớp A tương đương với một nguồn hiện tại.

Vì bộ khuếch đại lớp A hoạt động trong vùng tuyến tính, điện áp xu hướng DC cơ sở của bóng bán dẫn (hoặc cổng) phải được chọn đúng cách để đảm bảo hoạt động chính xác và độ méo thấp. Tuy nhiên, vì thiết bị đầu ra luôn “BẬT”, nên nó liên tục mang dòng điện, điều này thể hiện sự mất điện liên tục trong bộ khuếch đại.

Do sự mất mát liên tục này, các bộ khuếch đại công suất loại A tạo ra một lượng nhiệt lớn làm tăng hiệu suất rất thấp vào khoảng 30%, khiến chúng không thực tế đối với các bộ khuếch đại công suất cao. Cũng do dòng điện chạy không tải cao của bộ khuếch đại, bộ nguồn phải có kích thước phù hợp và được lọc tốt để tránh bất kỳ tiếng ồn và tiếng ồn của bộ khuếch đại. Do đó, do hiệu suất thấp và các vấn đề quá nóng của bộ khuếch đại Class A, các lớp khuếch đại hiệu quả hơn đã được phát triển.

Bộ khuếch đại Class B

Bộ khuếch đại Class B được phát minh như một giải pháp cho các vấn đề về hiệu suất và nhiệt độ liên quan đến bộ khuếch đại class A trước đó. Bộ khuếch đại lớp B cơ bản sử dụng hai bóng bán dẫn miễn phí hoặc lưỡng cực của FET cho mỗi nửa dạng sóng với tầng đầu ra của nó được định cấu hình theo kiểu sắp xếp kiểu "đẩy-kéo", để mỗi thiết bị bóng bán dẫn chỉ khuếch đại một nửa dạng sóng đầu ra.

Trong bộ khuếch đại lớp B, không có dòng điện phân cực cơ sở một chiều vì dòng điện tĩnh của nó bằng 0, do đó công suất một chiều nhỏ và do đó hiệu suất của nó cao hơn nhiều so với bộ khuếch đại lớp A. Tuy nhiên, cái giá phải trả cho việc cải thiện hiệu quả là ở độ tuyến tính của thiết bị chuyển mạch.

Bộ khuếch đại Class B

Khi tín hiệu đầu vào chuyển sang tích cực, bóng bán dẫn phân cực dương dẫn trong khi bóng bán dẫn âm được chuyển sang “TẮT”. Tương tự như vậy, khi tín hiệu đầu vào chuyển sang âm, bóng bán dẫn dương chuyển “TẮT” trong khi bóng bán dẫn phân cực âm chuyển sang “BẬT” và dẫn phần âm của tín hiệu. Vì vậy, bóng bán dẫn chỉ dẫn một nửa thời gian, trên nửa chu kỳ dương hoặc âm của tín hiệu đầu vào.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng mỗi thiết bị bóng bán dẫn của bộ khuếch đại lớp B chỉ dẫn qua một nửa hoặc 180 độ của dạng sóng đầu ra theo thời gian luân phiên nghiêm ngặt, nhưng khi giai đoạn đầu ra có các thiết bị cho cả hai nửa của dạng sóng tín hiệu, hai nửa được kết hợp với nhau để tạo ra dạng sóng đầu ra tuyến tính đầy đủ.

Thiết kế khuếch đại push-pull này rõ ràng là hiệu quả hơn Class A, vào khoảng 50%, nhưng vấn đề với thiết kế khuếch đại class B là nó có thể tạo ra sự biến dạng tại điểm giao nhau bằng không của dạng sóng do các bóng bán dẫn dải chết. của điện áp cơ bản đầu vào từ -0,7V đến +0,7.

Chúng ta nhớ từ hướng dẫn Transistor rằng cần một điện áp cực phát khoảng 0,7 volt để bóng bán dẫn lưỡng cực bắt đầu dẫn điện. Sau đó, trong bộ khuếch đại lớp B, bóng bán dẫn đầu ra không "thiên vị" sang trạng thái "BẬT" hoạt động cho đến khi điện áp này vượt quá.

Điều này có nghĩa là phần của dạng sóng nằm trong cửa sổ 0,7 volt này sẽ không được tái tạo chính xác khiến bộ khuếch đại lớp B không phù hợp với các ứng dụng khuếch đại âm thanh chính xác.

Để khắc phục tình trạng méo tiếng không (còn gọi là Méo chéo), các bộ khuếch đại lớp AB đã được phát triển.

Bộ khuếch đại Class AB

Như tên gọi của nó, Bộ khuếch đại Class AB là sự kết hợp của bộ khuếch đại loại “Loại A” và “Loại B” mà chúng ta đã xem xét ở trên. Phân loại AB của bộ khuếch đại hiện là một trong những kiểu thiết kế bộ khuếch đại công suất âm thanh được sử dụng phổ biến nhất. Bộ khuếch đại lớp AB là một biến thể của bộ khuếch đại lớp B như đã mô tả ở trên, ngoại trừ việc cả hai thiết bị được phép dẫn đồng thời xung quanh điểm giao nhau của dạng sóng loại bỏ các vấn đề méo chéo của bộ khuếch đại lớp B trước đó.

Hai bóng bán dẫn có điện áp phân cực rất nhỏ, thường ở 5 đến 10% của dòng điện tĩnh để phân cực các bóng bán dẫn ngay trên điểm cắt của nó. Sau đó, thiết bị dẫn, hoặc lưỡng cực của FET, sẽ “BẬT” trong hơn một nửa chu kỳ, nhưng ít hơn một chu kỳ đầy đủ của tín hiệu đầu vào. Do đó, trong thiết kế bộ khuếch đại lớp AB, mỗi bóng bán dẫn đẩy kéo đang dẫn nhiều hơn một nửa chu kỳ dẫn ở lớp B, nhưng ít hơn nhiều so với toàn bộ chu kỳ dẫn của lớp A.

Nói cách khác, góc dẫn của bộ khuếch đại lớp AB nằm trong khoảng từ 180 o đến 360 o tùy thuộc vào điểm phân cực đã chọn như hình minh họa.

Bộ khuếch đại Class AB

Ưu điểm của điện áp phân cực nhỏ này, được cung cấp bởi điốt hoặc điện trở nối tiếp, là sự biến dạng chéo tạo ra bởi các đặc tính của bộ khuếch đại lớp B được khắc phục, mà không có sự kém hiệu quả của thiết kế bộ khuếch đại lớp A. Vì vậy, bộ khuếch đại lớp AB là sự dung hòa tốt giữa lớp A và lớp B về hiệu suất và độ tuyến tính, với hiệu suất chuyển đổi đạt khoảng 50% đến 60%.

Bộ khuếch đại Class C

Các Lớp C Amplifier thiết kế có hiệu quả lớn nhất nhưng tuyến tính nghèo nhất của các lớp học của các bộ khuếch đại đề cập ở đây. Các lớp trước, A, B và AB được coi là bộ khuếch đại tuyến tính, vì biên độ và pha của tín hiệu đầu ra có liên quan tuyến tính với biên độ và pha của tín hiệu đầu vào.

Tuy nhiên, bộ khuếch đại lớp C bị sai lệch nhiều để dòng điện đầu ra bằng 0 trong hơn một nửa chu kỳ tín hiệu hình sin đầu vào với bóng bán dẫn chạy không tải tại điểm cắt của nó. Nói cách khác, góc dẫn của bóng bán dẫn nhỏ hơn đáng kể 180 độ và nói chung là xung quanh khu vực 90 độ.

Trong khi dạng xu hướng bóng bán dẫn này mang lại hiệu suất được cải thiện nhiều khoảng 80% cho bộ khuếch đại, nó dẫn đến sự biến dạng rất nặng của tín hiệu đầu ra. Do đó, bộ khuếch đại lớp C không thích hợp để sử dụng làm bộ khuếch đại âm thanh.

Bộ khuếch đại Class C

Do sự biến dạng âm thanh nặng, bộ khuếch đại lớp C thường được sử dụng trong bộ dao động sóng sin tần số cao và một số loại bộ khuếch đại tần số vô tuyến, trong đó các xung dòng điện được tạo ra ở đầu ra của bộ khuếch đại có thể được chuyển đổi thành sóng hình sin hoàn chỉnh của một tần số cụ thể bằng cách sử dụng mạch cộng hưởng LC trong mạch thu của nó.

Tóm tắt về các loại bộ khuếch đại

Sau đó, chúng ta đã thấy rằng điểm hoạt động DC tĩnh (điểm Q ) của một bộ khuếch đại xác định phân loại bộ khuếch đại. Bằng cách đặt vị trí của điểm Q ở một nửa đường tải của đường đặc tính của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại sẽ hoạt động như một bộ khuếch đại loại A. Bằng cách di chuyển Q-điểm giảm xuống dòng tải thay đổi khuếch đại vào một lớp AB, B hoặc C khuếch đại.

Sau đó, loại hoạt động của bộ khuếch đại liên quan đến điểm hoạt động DC của nó có thể được đưa ra như:

Lớp khuếch đại và hiệu quả

Cũng như bộ khuếch đại âm thanh, có một số Loại Bộ khuếch đại hiệu quả cao liên quan đến thiết kế bộ khuếch đại chuyển mạch sử dụng các kỹ thuật chuyển mạch khác nhau để giảm tổn thất điện năng và tăng hiệu quả. Một số thiết kế lớp bộ khuếch đại được liệt kê bên dưới sử dụng bộ cộng hưởng RLC hoặc nhiều điện áp nguồn cung cấp để giảm tổn thất điện năng hoặc là bộ khuếch đại loại DSP (xử lý tín hiệu kỹ thuật số) sử dụng kỹ thuật chuyển mạch điều chế độ rộng xung (PWM).

Các loại bộ khuếch đại phổ biến khác

Bộ khuếch đại Class D - Bộ khuếch đại âm thanh A Class D về cơ bản là một bộ khuếch đại chuyển mạch phi tuyến tính hoặc bộ khuếch đại PWM. Về mặt lý thuyết, bộ khuếch đại Class-D có thể đạt hiệu suất 100%, vì không có khoảng thời gian nào trong một chu kỳ mà các dạng sóng điện áp và dòng điện chồng lên nhau khi dòng điện chỉ được kéo qua bóng bán dẫn đang bật.
Bộ khuếch đại Class F - Bộ khuếch đại Class-F tăng cường cả hiệu suất và đầu ra bằng cách sử dụng các bộ cộng hưởng hài trong mạng đầu ra để định hình dạng sóng đầu ra thành sóng vuông. Bộ khuếch đại Class-F có khả năng đạt hiệu suất cao hơn 90% nếu sử dụng điều chỉnh sóng hài vô hạn.
Bộ khuếch đại Class G - Class G mang đến những cải tiến cho thiết kế bộ khuếch đại lớp AB cơ bản. Class G sử dụng nhiều đường cấp nguồn có điện áp khác nhau và tự động chuyển đổi giữa các đường cấp này khi tín hiệu đầu vào thay đổi. Việc chuyển đổi liên tục này làm giảm mức tiêu thụ điện năng trung bình và do đó tổn thất điện năng do nhiệt lãng phí.
Bộ khuếch đại loại I - Bộ khuếch đại loại I có hai bộ thiết bị chuyển mạch đầu ra bổ sung được sắp xếp theo cấu hình đẩy kéo song song với cả hai bộ thiết bị chuyển mạch lấy mẫu cùng một dạng sóng đầu vào. Một thiết bị chuyển nửa dương của dạng sóng, trong khi thiết bị kia chuyển nửa âm tương tự như bộ khuếch đại lớp B. Khi không có tín hiệu đầu vào nào được áp dụng hoặc khi tín hiệu đạt đến điểm giao nhau 0, các thiết bị chuyển mạch được BẬT và TẮT đồng thời với chu kỳ nhiệm vụ PWM 50% loại bỏ mọi tín hiệu tần số cao.

Để tạo ra nửa dương của tín hiệu đầu ra, đầu ra của thiết bị chuyển mạch tích cực được tăng lên trong chu kỳ làm việc trong khi thiết bị chuyển mạch tiêu cực được giảm xuống như nhau và ngược lại. Hai dòng tín hiệu chuyển mạch được cho là xen kẽ ở đầu ra, tạo cho bộ khuếch đại lớp I có tên là: “bộ khuếch đại PWM xen kẽ” hoạt động ở tần số chuyển mạch vượt quá 250kHz.
Bộ khuếch đại Class S - Bộ khuếch đại công suất loại S là bộ khuếch đại chế độ chuyển mạch phi tuyến tính hoạt động tương tự như bộ khuếch đại lớp D. Bộ khuếch đại lớp S chuyển đổi tín hiệu đầu vào tương tự thành xung sóng vuông kỹ thuật số bằng bộ điều chế delta-sigma và khuếch đại chúng để tăng công suất đầu ra trước khi cuối cùng được giải điều chế bởi bộ lọc băng thông. Vì tín hiệu kỹ thuật số của bộ khuếch đại chuyển mạch này luôn ở chế độ “BẬT” hoặc “TẮT” hoàn toàn (về lý thuyết là mức tiêu tán công suất bằng không), nên có thể đạt được hiệu suất đạt 100%.
Bộ khuếch đại lớp T - Bộ khuếch đại lớp T là một kiểu thiết kế bộ khuếch đại chuyển mạch kỹ thuật số khác. Bộ khuếch đại Class T ngày nay đang bắt đầu trở nên phổ biến hơn như một thiết kế bộ khuếch đại âm thanh do sự tồn tại của chip xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) và bộ khuếch đại âm thanh vòm đa kênh vì nó chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu được điều chế độ rộng xung kỹ thuật số (PWM) cho khuếch đại tăng hiệu quả của bộ khuếch đại. Thiết kế bộ khuếch đại Class T kết hợp cả mức tín hiệu méo thấp của bộ khuếch đại lớp AB và hiệu suất công suất của bộ khuếch đại lớp D.

Chúng ta đã thấy ở đây một số cách phân loại bộ khuếch đại, từ bộ khuếch đại công suất tuyến tính đến bộ khuếch đại chuyển mạch không tuyến tính, và đã thấy sự khác biệt của một loại bộ khuếch đại dọc theo đường tải của bộ khuếch đại. Các bộ khuếch đại lớp AB, B và C có thể được xác định theo góc dẫn, θ như sau:

Lớp khuếch đại theo góc dẫn

Lớp khuếch đại	Sự miêu tả	Góc dẫn
Class-A	Chu kỳ đầy đủ 360 o của Dẫn truyền	θ = 2π
Lớp B	Nửa chu kỳ 180 o của quá trình dẫn	θ = π
Lớp-AB	Hơn 180 o dẫn truyền	π <θ <2π
Lớp C	Ít hơn 180 o dẫn truyền	θ <π
Class-D đến T	BẬT-TẮT chuyển mạch phi tuyến tính	θ = 0