Các loại bộ khuếch đại công suất

Trong điện tử, Amplifier là thiết bị mạch điện được sử dụng phổ biến nhất với khả năng ứng dụng rất lớn. Trong Âm thanh liên quan đến điện tử tiền khuếch đại và bộ khuếch đại công suất là hai loại hệ thống khuếch đại khác nhau được sử dụng cho các mục đích liên quan đến khuếch đại âm thanh. Tuy nhiên, ngoài mục đích dành riêng cho ứng dụng này, có sự khác biệt rất lớn trong các loại bộ khuếch đại khác nhau, chủ yếu là ở Bộ khuếch đại công suất. Vì vậy, ở đây chúng ta sẽ khám phá các lớp khác nhau của bộ khuếch đại cùng với những ưu điểm và nhược điểm của chúng.

Phân loại Bộ khuếch đại sử dụng chữ cái

Các lớp khuếch đại là nhận dạng của hiệu suất và đặc tính của bộ khuếch đại. Các loại bộ khuếch đại công suất khác nhau cho các phản ứng khác nhau khi cho dòng điện chạy qua chúng. Theo thông số kỹ thuật của chúng, Bộ khuếch đại được gán các chữ cái hoặc bảng chữ cái khác nhau đại diện cho các lớp của chúng. Có lớp khác nhau của các bộ khuếch đại bắt đầu từ A, B, C, AB, D, E, F, T vv. Trong số các lớp đó, các lớp bộ khuếch đại âm thanh được sử dụng phổ biến nhất là A, B, AB, C. Các lớp khác là các bộ khuếch đại hiện đại sử dụng cấu trúc liên kết chuyển mạch và kỹ thuật PWM (Điều chế độ rộng xung) để điều khiển tải đầu ra. Đôi khi, phiên bản cải tiến của các lớp truyền thống được gán một chữ cái để phân loại chúng thành một loại bộ khuếch đại khác, như bộ khuếch đại lớp G là một loại Bộ khuếch đại đã sửa đổi của bộ khuếch đại Class B hoặc Class AB.

Các lớp của bộ khuếch đại đại diện cho tỷ lệ chu kỳ đầu vào khi dòng điện đi qua bộ khuếch đại. Chu kỳ đầu vào là góc dẫn xuất phát từ sự dẫn sóng hình sin trong đầu vào bộ khuếch đại. Góc dẫn này tỷ lệ thuận với thời gian của Bộ khuếch đại trong toàn bộ chu kỳ. Nếu bộ khuếch đại luôn BẬT trong một chu kỳ, góc dẫn sẽ là 360 độ. Vì vậy, nếu bộ khuếch đại cung cấp góc dẫn 360 độ, thì bộ khuếch đại đã sử dụng tín hiệu đầu vào hoàn chỉnh và phần tử tích cực được dẫn trong khoảng thời gian 100% của một chu kỳ hình sin hoàn chỉnh.

Dưới đây, chúng tôi sẽ trình bày các lớp khuếch đại Công suất truyền thống khác nhau, từ Class A, B, AB và C, đồng thời trình bày bộ khuếch đại Class D được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế chuyển mạch. Các lớp này không chỉ được sử dụng trong Bộ khuếch đại công suất mà còn được sử dụng trong các mạch Khuếch đại âm thanh.

Bộ khuếch đại Class A

Bộ khuếch đại Class A là bộ khuếch đại có độ lợi cao với độ tuyến tính cao. Trong trường hợp bộ khuếch đại Class A, góc dẫn là 360 độ. Như chúng tôi đã nêu ở trên, góc dẫn 360 độ có nghĩa là thiết bị khuếch đại vẫn hoạt động trong toàn bộ thời gian và sử dụng tín hiệu đầu vào hoàn chỉnh. Trong hình ảnh dưới đây, một bộ khuếch đại lớp A lý tưởng được hiển thị.

Như chúng ta có thể thấy trong hình ảnh, có một phần tử hoạt động, một bóng bán dẫn. Sự thiên vị của bóng bán dẫn vẫn luôn BẬT. Do tính năng không bao giờ tắt này, bộ khuếch đại Class A cung cấp độ ổn định của vòng lặp phản hồi và tần số cao tốt hơn. Ngoài những ưu điểm này, bộ khuếch đại Class A rất dễ chế tạo với một thành phần thiết bị duy nhất và số lượng bộ phận tối thiểu.

Mặc dù có những ưu điểm và độ tuyến tính cao, nhưng chắc chắn, nó có nhiều hạn chế. Do tính chất dẫn điện liên tục, bộ khuếch đại lớp A gây ra tổn thất công suất cao. Ngoài ra, do độ tuyến tính cao, bộ khuếch đại Class A cung cấp độ méo và tiếng ồn. Nguồn điện và cấu trúc phân cực cần lựa chọn thành phần cẩn thận để tránh nhiễu không mong muốn và giảm thiểu biến dạng.

Vì tổn thất công suất cao trong bộ khuếch đại Class A, nó tỏa nhiệt và yêu cầu không gian tản nhiệt cao hơn. Hiệu suất rất kém trong các bộ khuếch đại Class A, về mặt lý thuyết, hiệu suất thay đổi từ 25 đến 30% nếu được sử dụng với cấu hình thông thường. Hiệu suất có thể được cải thiện bằng cách sử dụng cấu hình ghép cảm ứng nhưng hiệu suất trong trường hợp này không quá 45-50%, do đó nó chỉ thích hợp cho mục đích khuếch đại tín hiệu thấp hoặc mức công suất thấp.

Bộ khuếch đại Class B

Bộ khuếch đại Class B khác một chút so với Class A. Nó được tạo ra bằng cách sử dụng hai thiết bị hoạt động dẫn một nửa chu kỳ thực, tức là 180 độ của chu kỳ. Hai thiết bị cung cấp ổ dòng kết hợp cho tải.

Trong hình trên, cấu hình bộ khuếch đại Class B lý tưởng đã được hiển thị. Nó bao gồm hai thiết bị hoạt động được phân cực từng cái một trong nửa chu kỳ âm và dương của sóng hình sin và do đó tín hiệu được đẩy hoặc kéo đến mức khuếch đại từ cả phía tích cực và tiêu cực và kết hợp kết quả chúng ta nhận được chu kỳ hoàn chỉnh trên đầu ra. Mỗi thiết bị được bật hoặc hoạt động trong nửa chu kỳ và do đó, hiệu suất được cải thiện, so với hiệu suất 25-30% của bộ khuếch đại Class A, về mặt lý thuyết, nó cung cấp hiệu suất hơn 60%. Chúng ta có thể thấy đồ thị tín hiệu đầu vào và đầu ra của từng thiết bị trong hình bên dưới. Hiệu quả là không quá 78% đối với bộ khuếch đại Class B . Tản nhiệt được giảm thiểu ở lớp này, mang lại không gian tản nhiệt thấp.

Nhưng, lớp này cũng có hạn chế. Một hạn chế rất sâu sắc của lớp này là sự biến dạng chéo. Khi hai thiết bị cung cấp mỗi nửa sóng hình sin được kết hợp và nối trên đầu ra, có sự không khớp (chéo) trong vùng, nơi hai nửa được kết hợp. Điều này là do khi một thiết bị hoàn thành nửa chu kỳ, thiết bị kia cần cung cấp cùng một nguồn điện gần như cùng lúc khi thiết bị khác hoàn thành công việc. Rất khó để sửa lỗi này trong bộ khuếch đại hạng A vì trong khi thiết bị hoạt động, thiết bị khác vẫn hoàn toàn không hoạt động. Lỗi cung cấp sự biến dạng trong tín hiệu đầu ra. Do hạn chế này, nó là một thất bại lớn đối với ứng dụng bộ khuếch đại âm thanh chính xác.

Bộ khuếch đại Class AB

Một cách tiếp cận thay thế để khắc phục sự biến dạng chéo, là sử dụng bộ khuếch đại AB. Bộ khuếch đại Class AB sử dụng góc dẫn trung gian của cả Class A và B, do đó chúng ta có thể thấy thuộc tính của cả bộ khuếch đại Class A và Class B trong cấu trúc liên kết bộ khuếch đại lớp AB này. Giống như loại B, nó có cùng cấu hình với hai thiết bị hoạt động dẫn điện trong một nửa chu kỳ riêng lẻ nhưng mỗi thiết bị thiên vị khác nhau nên chúng không bị TẮT hoàn toàn trong thời điểm không sử dụng được (thời điểm giao nhau). Mỗi thiết bị không rời khỏi sự dẫn truyền ngay sau khi hoàn thành một nửa của dạng sóng hình sin, thay vào đó chúng dẫn một lượng nhỏ đầu vào trong một nửa chu kỳ khác. Sử dụng kỹ thuật phân cực này, sự không khớp chéo trong vùng chết được giảm đáng kể.

Nhưng trong cấu hình này, hiệu quả bị giảm do độ tuyến tính của các thiết bị bị tổn hại. Hiệu suất vẫn cao hơn hiệu suất của bộ khuếch đại Class A điển hình nhưng nó kém hơn hệ thống khuếch đại Class B. Ngoài ra, các điốt cần được lựa chọn cẩn thận với cùng định mức chính xác và cần được đặt càng gần thiết bị đầu ra càng tốt. Trong một số cấu trúc mạch, các nhà thiết kế có xu hướng thêm điện trở có giá trị nhỏ để cung cấp dòng điện tĩnh ổn định trên thiết bị nhằm giảm thiểu sự biến dạng trên đầu ra.

Bộ khuếch đại Class C

Ngoài bộ khuếch đại Class A, B và AB, còn có một bộ khuếch đại khác Class C. Đó là bộ khuếch đại truyền thống hoạt động khác với các loại bộ khuếch đại khác. Bộ khuếch đại Class C là bộ khuếch đại điều chỉnh hoạt động ở hai chế độ hoạt động khác nhau, có điều chỉnh hoặc không điều chỉnh. Hiệu suất của bộ khuếch đại Class C cao hơn nhiều so với A, B và AB. Có thể đạt được hiệu suất tối đa 80% trong các hoạt động liên quan đến tần số vô tuyến

Bộ khuếch đại Class C sử dụng góc dẫn nhỏ hơn 180 độ. Trong chế độ không điều chỉnh, phần bộ điều chỉnh bị bỏ qua khỏi cấu hình bộ khuếch đại. Trong hoạt động này, bộ khuếch đại Class C cũng cho độ méo lớn trên đầu ra.

Khi mạch tiếp xúc với tải điều chỉnh, mạch kẹp mức phân cực đầu ra với điện áp đầu ra trung bình bằng điện áp nguồn. Hoạt động điều chỉnh được gọi là bộ kẹp. Trong quá trình hoạt động này, tín hiệu có hình dạng thích hợp và tần số trung tâm ít bị méo hơn.

Trong các mục đích sử dụng thông thường, bộ khuếch đại Class C cho hiệu suất 60-70%.

Bộ khuếch đại Class D

Bộ khuếch đại Class D là bộ khuếch đại chuyển mạch sử dụng Điều chế độ rộng xung hoặc PWM. Góc dẫn không phải là một yếu tố trong trường hợp như tín hiệu đầu vào trực tiếp bị thay đổi với độ rộng xung thay đổi.

Trong hệ thống khuếch đại Class D này, độ lợi tuyến tính không được chấp nhận vì chúng hoạt động giống như một công tắc thông thường chỉ có hai hoạt động, BẬT hoặc TẮT.

Trước khi xử lý tín hiệu đầu vào, tín hiệu tương tự được chuyển thành dòng xung bằng nhiều kỹ thuật điều chế khác nhau và sau đó nó được đưa vào hệ thống khuếch đại. Khi thời lượng xung có liên quan đến tín hiệu tương tự, nó lại được tái tạo bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp trên đầu ra.

Bộ khuếch đại Class D là lớp khuếch đại hiệu quả công suất cao nhất trong phân khúc A, B, AB và C và D. Nó có khả năng tản nhiệt nhỏ hơn, vì vậy cần có bộ tản nhiệt nhỏ. Mạch yêu cầu các thành phần chuyển mạch khác nhau như MOSFETs có điện trở thấp.

Nó là một cấu trúc liên kết được sử dụng rộng rãi trong các máy nghe nhạc kỹ thuật số hoặc điều khiển động cơ. Nhưng chúng ta nên nhớ rằng Nó không phải là một bộ chuyển đổi Kỹ thuật số. Mặc dù, đối với tần số cao hơn, bộ khuếch đại Class D không phải là một lựa chọn hoàn hảo vì nó có giới hạn băng thông trong một số trường hợp tùy thuộc vào khả năng của bộ lọc thông thấp và mô-đun chuyển đổi.

Các loại Bộ khuếch đại khác

Ngoài các bộ khuếch đại truyền thống, có ít lớp hơn, đó là lớp E, lớp F, lớp G và H.

Bộ khuếch đại Class E là bộ khuếch đại công suất hiệu quả cao sử dụng cấu trúc liên kết chuyển đổi và hoạt động ở tần số vô tuyến. Phần tử chuyển mạch đơn cực và mạng phản kháng đã điều chỉnh là thành phần chính để sử dụng với bộ khuếch đại lớp E.

Class F là bộ khuếch đại trở kháng cao liên quan đến sóng hài. Nó có thể được điều khiển bằng cách sử dụng sóng vuông hoặc sóng sin. Đối với đầu vào sóng hình sin, bộ khuếch đại này có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng cuộn cảm và có thể được sử dụng để tăng độ lợi.

Loại G sử dụng chuyển mạch đường sắt để giảm tiêu thụ điện năng và cải thiện hiệu suất hiệu quả. Và Class H là phiên bản cải tiến hơn nữa của Class G.

Các lớp bổ sung là bộ khuếch đại mục đích đặc biệt. Trong một số trường hợp, các chữ cái được nhà sản xuất cung cấp để biểu thị thiết kế độc quyền của họ. Một ví dụ điển hình nhất là bộ khuếch đại Class T là nhãn hiệu cho một loại bộ khuếch đại Class D chuyển mạch đặc biệt, được sử dụng cho các công nghệ khuếch đại của Tripath, một thiết kế đã được cấp bằng sáng chế.