Wzmacniacze mocy - przegląd klas - od A do H

Klasy A, B, C

Rys. 1. Wzmacniacze mocy klasy A nie zniekształcają wzmacnianego sygnału, ale mają małą sprawność

We wzmacniaczach mocy klasy B element aktywny przewodzi tylko przez połowę okresu sygnału wejściowego. Dlatego zwykle stopień wyjściowy takich układów składa się z dwóch tranzystorów, przez które prąd płynie na przemian (rys. 2). Komponenty te dobiera się tak, żeby miały zbliżone parametry elektryczne, ale różniły się typem przewodnictwa.

W porównaniu do tych zaliczanych do klasy A wzmacniacze mocy klasy B mają większą sprawność - teoretycznie w przybliżeniu 78%, a w rzeczywistości do 70%. Niestety zniekształcają one sygnał, zwłaszcza ten o małej wartości. Silne zniekształcenia to także wada wzmacniaczy mocy klasy C, w których element aktywny przewodzi krócej niż przez połowę okresu sygnału wejściowego.

Przykład

Rys. 2. Każdy z tranzystorów wzmacniacza klasy B przewodzi tylko przez połowę okresu sygnału wejściowego

Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy wzmacniacza mocy klasy B. Jest to układ TDA8571J z oferty firmy NXP. Składa się on z czterech wzmacniaczy w konfiguracji BTL (bridge-tied load) o stałym wzmocnieniu 34 dB każdy. Moc wyjściowa układu wynosi 4×40 W przy obciążeniu 4 ?. Jego głównym zastosowaniem jest wzmacnianie sygnałów w samochodowych odbiornikach radiowych.

Wzmacniacz TDA8571J może pracować w jednym z trzech trybów: standby, mute albo zwykłym. W pierwszym pobór prądu nie przekracza 100 µA, a w trybie mute sygnał wejściowy jest tłumiony. Układ ma też wyjście diagnostyczne. Stan niski na tym zacisku może oznaczać m.in. zwarcie albo wzrost temperatury wzmacniacza powyżej dopuszczalnej wartości.

AB = A + B?

Rys. 3. Schemat blokowy: a) i przykład zastosowania b) wzmacniacza mocy TDA8571J

Konfiguracją pośrednią między wzmacniaczami mocy klas A i B są wzmacniacze klasy AB. Każdy z ich elementów aktywnych przewodzi dłużej, niż przez połowę okresu sygnału na wejściu, ale nie przez cały czas. W praktyce polega to na tym, że przy małych sygnałach wejściowych wzmacniacz pracuje jak w klasie A. Prąd płynie wtedy przez dwa tranzystory. Przy dużych sygnałach na wejściu jeden tranzystor przechodzi w stan zatkania. Wtedy przewodzi tylko drugi tranzystor, a wzmacniacz pracuje jak w klasie B.

Wzmacniacze mocy klasy AB łączą w sobie zalety układów obu tych typów, natomiast nie dotyczą ich wady ani wzmacniaczy klasy A, ani B. Sprawność układów klasy AB wynosi typowo 50-70%, a zniekształcenia przetwarzanych sygnałów są małe.

Przykład

Rys. 4. Przykłady użycia wzmacniacza mocy NCP2991

Na rysunku 4 zamieszczono przykłady użycia wzmacniacza mocy NCP-2991 klasy AB z oferty firmy ON Semiconductor. Układ ten jest zbudowany z dwóch identycznych wzmacniaczy. Wzmocnienie jednego z nich można zmieniać, dobierając odpowiednią wartość rezystorów Ri i Rf. Wzmocnienie drugiego jest ustalone na stałe przez dwa rezystory 20 k?.

NCP2991 może być zasilany napięciem od 2,5 do 5,5 V. Przy współczynniku THD+N o wartości poniżej 1% moc wyjściowa układu wynosi 1,35 W przy obciążeniu do 8 Ω i zasilaniu 5 V. Jeżeli w danej aplikacji dopuszczalne są większe zakłócenia (THD + N < 10%), uzyskać można moc 1,65 W. Przy obciążeniu 4 Ω i zasilaniu 3,6 V maksymalna moc wyjściowa wynosi z kolei 1,1 W. NCP2991 jest też zabezpieczony przed zwarciem i przegrzaniem. Wzmacniacz może ponadto pracować w trybie o ograniczonym poborze prądu (poniżej 100 nA, shutdown).

D jak... PWM

Rys. 5. Uproszczony schemat wzmacniacza mocy klasy D

Na rysunku 5 przedstawiono uproszczony schemat wzmacniacza mocy klasy D. Jego główne części to: modulator szerokości impulsów PWM, dwa wyjściowe tranzystory MOSFET oraz zewnętrzny filtr dolnoprzepustowy LC do odtworzenia wzmocnionego sygnału.

Sygnał na wyjściu wzmacniacza ma postać przebiegu prostokątnego o szerokości impulsów modulowanej sygnałem wzmacnianym. Tę ostatnią ustala się przez porównanie sygnału na wejściu układu z przebiegiem trójkątnym (rys. 6). Na wyjściu filtru uzyskiwany jest sygnał odpowiadający średniej wartości fali prostokątnej.

Straty mocy we wzmacniaczach mocy klasy D są minimalne. Ich głównym źródłem są: rezystancja tranzystorów w stanie przewodzenia, straty przełączania oraz prąd spoczynkowy. Dawniej ta zaleta była jednak przysłaniana przez koszty zewnętrznych komponentów filtra LC, problemy z EMC oraz zniekształcenia. Rozwój konstrukcji wzmacniaczy tego rodzaju, na przykład przez uzupełnienie ich o sprzężenie zwrotne, pozwolił większość tych wad wyeliminować.

Przykład

Rys. 6. Szerokość impulsów sygnału wyjściowego wzmacniacza mocy klasy D zmienia się stosowanie do amplitudy sygnału wejściowego

Na rysunku 7 zamieszczono schemat wzmacniacza TDA7491P klasy D firmy STMicroelectronics. Jest to układ dwukanałowy o mocy wyjściowej 2×10 W przy obciążeniu 6 Ω i zasilaniu 11 V albo 2×9,5 W przy obciążeniu 8 Ω i zasilaniu 12 V, z THD równym w obu przypadkach 10%. Sprawność wzmacniacza wynosi 90%.

TDA7491P może pracować w trybie: standby, o minimalnym poborze prądu oraz mute, w którym wejścia są zwarte do masy, a współczynnik wypełnienia przebiegu wyjściowego wynosi 50%. W trybie normalnym pracują wzmacniacze w obu kanałach.

Przez zmianę stanu na wejściach Gain0 oraz Gain1 można ustawić wzmocnienie na 20, 26, 30 lub 32 dB. Układ taktowany jest przez zegar wewnętrzny albo ze źródła zewnętrznego. Nie ma też konieczności stosowania filtru dolnoprzepustowego na wyjściu wzmacniacza. Jest on ponadto zabezpieczony przed spadkiem napięcia zasilania, zwarciem i przegrzaniem.

Wzmacniacze klas G i H

Rys. 7. Wzmacniacz mocy TDA7491P klasy D

We wzmacniaczach zaliczanych do klas G i H napięcie zasilania jest zmieniane stosownie do aktualnie wymaganej mocy wyjściowej. W przypadku wzmacniaczy mocy klasy G osiąga się to, używając kilku źródeł napięcia, co najmniej dwóch. Przy małych mocach wyjściowych układ taki jest zasilany ze źródła o mniejszej wartości.

Gdy potrzebna jest większa moc wyjściowa, następuje przełączenie i wzmacniacz pobiera energię z innego źródła o znacznie większym napięciu. W razie potrzeby następuje przełączenie odwrotne. Dzięki temu średni spadek napięcia na tranzystorach jest mniejszy, co poprawia sprawność wzmacniacza.

Wzmacniacze mocy klasy H są z kolei zasilane z jednego źródła za pośrednictwem zasilacza o regulowanym napięciu wyjściowym odpowiednim do wymaganej wartości mocy wyjściowej. Jest to zazwyczaj przekształtnik obniżający. Adaptacyjna zmiana napięcia zasilania jeszcze zwiększa sprawność, a przy tym ogranicza zniekształcenia sygnału, występujące w układach klasy G przy przełączaniu źródeł napięcia.

Monika Jaworowska