Wzmacniacze mocy klasy G i H
| TechnikaW przypadku stacjonarnych urządzeń audio priorytetem jest jak najlepsza jakość dźwięku, mniejszą uwagę przywiązuje się natomiast do ich sprawności energetycznej. W przenośnych odtwarzaczach dźwięku jest odwrotnie. W ich wypadku ważny jest jak najdłuższy czas pracy na bateriach, w związku z czym to efektywność energetyczna urządzenia jest priorytetem. Zależy ona m.in. od sprawności wzmacniacza mocy. Wkład, jaki ten komponent wnosi w całkowity bilans wykorzystania energii elektrycznej pobieranej przez odtwarzacz, może wynosić nawet 80%.
Rys. 1. Wzmacniacz słuchawkowy w klasie AB
Tradycyjnie w sprzęcie grającym wykorzystywane są wzmacniacze mocy w klasie AB. Stanowią one konfigurację pośrednią między wzmacniaczami mocy klas A i B, która łączy w sobie ich zalety oraz eliminuje ich główne wady. W przypadku wzmacniaczy mocy w klasie AB każdy z elementów aktywnych przewodzi dłużej niż przez połowę okresu sygnału wejściowego, ale nie przez cały czas.
Przy małych sygnałach wejściowych wzmacniacz pracuje jak układ w klasie A - przewodzą wówczas oba tranzystory. Przy dużych sygnałach na wejściu jeden z tranzystorów przechodzi w stan zatkania. Wówczas przewodzi tylko drugi tranzystor, a wzmacniacz pracuje jak układ w klasie B. Sprawność wzmacniaczy mocy klasy AB wynosi typowo 50-70%, a zniekształcenia przetwarzanych sygnałów są małe.
Sprawność energetyczna wzmacniaczy mocy tego typu zależy od ich mocy wyjściowej. Maleje ona wraz ze wzrostem tej ostatniej, osiąga wartość minimalną, a następnie rośnie (rys. 1). W rezultacie moc strat przy maksymalnej wartości mocy wyjściowej jest mniejsza niż przy średniej mocy na wyjściu.
Ponadto sprawność wzmacniaczy mocy w klasie AB zależy od napięcia zasilania - im jest niższe, tym mniejsze straty mocy. Niestety wówczas można uzyskać mniejszą maksymalną moc wyjściową. Wszystko to sprawia, że wzmacniacze tego typu nie sprawdzają się w przenośnych odtwarzaczach dźwięku. Wyjaśnia to następujący przykład.
Przykład
Rys. 2. Sprawność energetyczna wzmacniaczy mocy w klasie AB zależy od mocy wyjściowej oraz napięcia zasilania
Maksymalna moc wyjściowa wymagana w przenośnych odtwarzaczach audio mieści się w zakresie od 4mW na kanał do 30mW na kanał i zależy na przykład od rodzaju słuchawek, jakie są w danym urządzeniu wykorzystywane. Mniejsza moc wyjściowa jest potrzebna w przypadku słuchawek typu dousznego niż tych nausznych. Zwykle impedancja słuchawek używanych w odtwarzaczach tego rodzaju wynosi 16Ω lub 32Ω.
Wzmacniacz, który ma wysterować głośniki w słuchawkach o impedancji 32Ω w celu uzyskania sygnału o maksymalnej mocy wyjściowej 30mW należy zasilić napięciem 1,38V. Zakładając zapas rzędu 100-200mV, powinno to być około 1,5V. Aby uniknąć stosowania wyjściowych kondensatorów w celu wygenerowania ujemnego napięcia zasilającego zwykle wykorzystuje się pompę ładunku.
Ponadto w przypadku baterii litowo-jonowych o napięciu 3,6V należy zastosować przekształtnik obniżający DC-DC, który pozwoli uzyskać wymagane dodatnie napięcie 1,5V. Przykład układu wzmacniacza słuchawkowego w takiej konfiguracji przedstawiono na rysunku 2.
Zakładając jak najwyższą sprawność przekształtnika, jego zastosowanie jest lepszym rozwiązaniem, niż dopuszczenie do sytuacji, w której na tranzystorach wzmacniacza odkłada się napięcie 2,1V (3,6V z akumulatora - 1,5V wymagane do zasilenia wzmacniacza).
Mimo to jeżeli przez większość czasu wymagana jest moc wyjściowa mniejsza niż 30mW i napięcie wyjściowe jest mniejsze niż na przykład 0,5V, różnica między tą wartością i wartością napięcia z baterii jest również źródłem znaczących strat mocy wydzielającej się w komponentach wzmacniacza.
Wzmacniacze mocy klasy G
Rys. 3. Wzmacniacz mocy w klasie G
W związku z tym wzmacniacze mocy w klasie AB w przenośnych odtwarzaczach audio zastępuje się wzmacniaczami w klasie G lub w klasie H. Rozwiązanie, jakie się w nich stosuje w celu zwiększenia sprawności energetycznej, polega na dostosowaniu napięcia zasilania wzmacniacza do aktualnie wymaganej mocy wyjściowej.
Obie te konfiguracje wzmacniaczy różnią się sposobem, w jaki osiąga się ten cel. W przypadku wzmacniaczy mocy klasy G wykorzystuje się kilka źródeł napięć zasilania (przynajmniej dwa). Przy małych mocach wyjściowych wzmacniacz taki jest zasilany ze źródła o mniejszej wartości.
Gdy wymagana moc wyjściowa przekroczy jego możliwości, następuje przełączenie i wzmacniacz pobiera energię z innego źródła o odpowiednio większym napięciu. Gdy sygnał wyjściowy spadnie poniżej określonego poziomu, następuje przełączenie odwrotne. W efekcie ogranicza się średni spadek napięcia na tranzystorach wzmacniacza, dzięki czemu występują mniejsze straty mocy i poprawia się jego sprawność.
Przykład
Na rysunku 3 przedstawiono uproszczony schemat wzmacniacza mocy klasy G. Składa się on ze stopnia wzmacniającego, dwóch źródeł zasilania oraz dwóch tranzystorów. MOSFET-y wykorzystywane są jako klucze przełączające zasilanie wzmacniacza między niższym i wyższym napięciem. Sterowanie nimi można zrealizować w pętli sprzężenia zwrotnego z wyjścia wzmacniacza.
Szybkość przełączania kluczy powinna być zoptymalizowana pod kątem uzyskania jak najmniejszych strat mocy w tranzystorach. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowy przebieg sygnału wyjściowego wzmacniacza dźwięku tej klasy. Linią przerywaną zaznaczono na nim poziomy napięć zasilających. Kiedy uzyskanie na wyjściu danej mocy wyjściowej wymaga doprowadzenia wyższego napięcia, odpowiedni klucz tranzystorowy zostaje załączony, a napięcie zasilania wzrasta.
Gdy sygnał wyjściowy spada poniżej ustalonej wartości progowej, stopień wzmacniający zasilany jest ze źródła o niższym napięciu. Na rysunku tym można też porównać straty mocy w przypadku tego samego sygnału wyjściowego w odtwarzaczu ze wzmacniaczem klasy G (kolor niebieski) oraz ze wzmacniaczem w klasie AB (kolor żółty i niebieski).
Projektowanie wzmacniaczy klasy G
Rys. 4. Porównanie strat mocy we wzmacniaczach klasy AB i G
Projektując wzmacniacz klasy G, należy uwzględnić kilka kwestii. Ważna jest m.in. odpowiednia liczba źródeł zasilania oraz wybór ich wartości. To drugie należy tak dobrać, by największe napięcie zasilania zapewniało wymaganą wartość mocy wyjściowej. Wartość najmniejszego z nich zależy natomiast od tego, przy jakiej wartości zasilania wzmacniacz może jeszcze pracować, nie wprowadzając jednocześnie zbyt dużych zniekształceń sygnału.
Zwykle wystarczy zapewnić dwa poziomy napięć zasilających - nie oznacza to nadmiernej komplikacji konstrukcji, a jednocześnie z reguły pozwala znacznie zwiększyć sprawność wzmacniacza. Dodatkowe źródła zasilania, mimo że zapewniają jeszcze mniejsze straty mocy, zwiększają złożoność i koszty oraz zmniejszają niezawodność w związku z większą liczbą komponentów.
Ważną kwestią jest też wyznaczenie odpowiedniego opóźnienia przed przełączeniem zasilania z wyższego poziomu na niższy. Zbyt szybkie przełączenie w tym kierunku skutkuje zniekształceniami, ponieważ amplituda sygnału wyjściowego zostaje obcięta. Z drugiej strony jeżeli wzmacniacz będzie zasilany z wyższego napięcia zbyt długo, znacznie wzrosną straty mocy.
Wzmacniacze klasy H
Rys. 5. Wzmacniacz w klasie H
W przeciwieństwie do wzmacniaczy w klasie G te zaliczane do klasy H zasilane są z jednego źródła za pośrednictwem zasilacza o regulowanym napięciu wyjściowym adekwatnym do aktualnie wymaganej wartości mocy wyjściowej (rys. 5). Z reguły wykorzystywany jest przekształtnik obniżający.
Zapewnia on napięcie zasilania z odpowiednim marginesem w stosunku do bieżącej wartości amplitudy sygnału audio, a w razie gdy osiąga ona maksymalną wartość, odpowiednio podwyższa poziom napięcia zasilania.
Taka adaptacyjna zmiana poziomu zasilania pozwala ograniczyć straty mocy w jeszcze większym stopniu niż jest to możliwe w przypadku wzmacniaczy klasy G działających tylko przy określonych poziomach napięć zasilających. Jednocześnie nie występują też wtedy zniekształcenia sygnału, ponieważ jego amplituda przy przełączaniu zasilania nie jest obcinana.
Przykład
Rys. 6. Wzmacniacze w klasie H zapewniają znaczne wydłużenie czasu pracy na bateriach
Przykład ten przedstawia porównanie sprawności wzmacniacza audio w klasie H z przekształtnikiem i wzmacniacza w klasie AB. W obliczeniach wykorzystano następujące wielkości: PZAS - moc pobierana ze źródła zasilania, UZAS, IZAS - napięcie i prąd zasilania, IDC, UDC - prąd i napięcie wyjściowe przekształtnika, PDC - moc wyjściowa przekształtnika, UWY - napięcie na obciążeniu, R - rezystancja obciążenia, IWY - prąd w obciążeniu.
Przyjmując, że UWY = 200mV, a rezystancja obciążenia wynosi 32Ω, prąd wyjściowy ma wartość: IWY = UWY / R = 200mV / 32Ω = 6,25mA. Zakładając dodatkowo, że pobierany jest prąd spoczynkowy o natężeniu 1mA IWY = 7,25mA. Moc pobierana przez wzmacniacz klasy AB, przy założeniu, że urządzenie jest zasilane baterią 4,2V wynosi zatem: PZAS = UZAS · IZAS = 4,2V · 7,25mA = 30,45mW.
W przypadku wzmacniacza klasy H uwzględnić należy sprawność przekształtnika. Zakładając, że jego napięcie wyjściowe wynosi 1,3V, moc wyjściowa ma wartość: PDC = 1,3V · 7,25mA = 9,425mW. Jeżeli sprawność przekształtnika wynosi η =90%, całkowita moc pobierana z zasilania przez wzmacniacz w klasie H z przekształtnikiem wynosi: PZAS = PDC/90% = 10,47mW.
Oznacza to, że wzmacniacz w klasie H pobiera w przybliżeniu trzykrotnie mniejszą moc w porównaniu do wzmacniacza w klasie AB pracującego w analogicznych warunkach. Odpowiada to ilorazowi napięcia baterii i napięcia przekształtnika, z uwzględnieniem sprawności tego ostatniego, czyli w tym wypadku: (UZAS/UDC)· η = (4,2/1,3)·0,9 = 3.
W efekcie uzyskuje się znaczące wydłużenie czasu pracy na bateriach, co przedstawiono na rysunku 6. Wynika z niego, że korzystając ze wzmacniacza w klasie G, zapewniono ponaddwukrotnie dłuższy czas pracy na bateriach (150 godzin) w porównaniu do urządzenia ze wzmacniaczem w klasie AB (70 godzin).
Monika Jaworowska
