Bộ khuếch đại Amply class AB cho xe hơi là gì?

Mr Nguyễn Tháng Một 5, 2023 200 Lượt xem
Chia sẻ

5/5 - (1 bình chọn)

Cả bộ khuếch đại âm ly Lớp B và bộ khuếch đại Lớp AB đều có giai đoạn đầu ra bao gồm hai bóng bán dẫn có đầu ra được cấu hình theo cách để tái tạo lại dạng sóng đầu vào 360 đầy đủ hoặc không có biến dạng.

Mục đích của bất kỳ bộ khuếch đại nào là tạo ra đầu ra tuân theo các đặc tính của tín hiệu đầu vào nhưng đủ lớn để đáp ứng nhu cầu của tải được kết nối với nó. Chúng ta đã thấy rằng công suất đầu ra của bộ khuếch đại là tích của điện áp và dòng điện, (P = V*I) đặt vào tải, trong khi công suất đầu vào là tích của điện áp và dòng điện một chiều lấy từ nguồn điện.

Mặc dù khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại Loại A, (trong đó bóng bán dẫn đầu ra dẫn 100% thời gian) có thể cao, nhưng hiệu quả của việc chuyển đổi từ nguồn điện một chiều sang đầu ra nguồn điện xoay chiều thường kém ở mức dưới 50%.

Tuy nhiên, nếu chúng ta sửa đổi mạch khuếch đại Loại A để hoạt động ở chế độ Loại B, (trong đó mỗi bóng bán dẫn chỉ dẫn trong 50% thời gian) thì dòng điện của bộ thu chạy trong mỗi bóng bán dẫn chỉ trong 180 o của chu kỳ. Ưu điểm ở đây là hiệu suất chuyển đổi DC-to-AC cao hơn nhiều, khoảng 75%, nhưng cấu hình Loại B này dẫn đến méo chéo của tín hiệu đầu ra có thể không chấp nhận được.

Một cách để tạo ra 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 loại trước đó dẫn đến một loại mạch khuếch đại mới được gọi là Bộ khuếch đại amply Class AB .

Sau đó, giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại Class AB kết hợp các ưu điểm của bộ khuếch đại âm ly Class A và bộ khuếch đại âm ly Class B đồng thời giảm thiểu các vấn đề về hiệu suất thấp và biến dạng liên quan đến chúng.

Như chúng tôi đã nói ở trên, Bộ khuếch đại amply Class AB là sự kết hợp của Class A và B ở chỗ đối với các 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 cho các 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.

Do đó, mỗi bóng bán dẫn sẽ dẫn trong khoảng thời gian từ 180 o đến 360 o tùy thuộc vào lượng đầu ra hiện tại và phân cực trước. Do đó, giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động như một bộ khuếch đại Class AB.

Trước tiên, hãy xem so sánh các tín hiệu đầu ra cho các loại 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 định nghĩa như sau:

  • Loại A:  – Bóng bán dẫn đầu ra đơn của bộ khuếch đại dẫn trong toàn bộ 360 o chu kỳ của dạng sóng đầu vào.
  • Loại B:  – Hai bóng bán dẫn đầu ra của bộ khuếch đại chỉ dẫn trong một nửa, nghĩa là 180 o của dạng sóng đầu vào.
  • Loại AB:  – Hai bóng bán dẫn đầu ra của bộ khuếch đại dẫn điện ở đâu đó trong khoảng từ 180 o đến 360 o của dạng sóng đầu vào.

Hoạt động của bộ khuếch đại loại A

Đối với hoạt động của bộ khuếch đại Loại A, điểm Q của bóng bán dẫn chuyển mạch nằm gần trung 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 chỉnh 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 bản tái tạo chính xác của tín hiệu đầu vào giúp giảm méo. Tuy nhiên, nó có hiệu suất kém, bởi vì để phân cực bóng bán dẫn ở trung tâm của dòng tải, phải luôn có dòng tĩnh DC phù hợp chạy qua bóng bán dẫn chuyển mạch ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào để khuếch đại.

Hoạt động của bộ khuếch đại loại B

Đối với hoạt động của bộ khuếch đại loại B, hai bóng bán dẫn chuyển mạch miễn phí được sử dụng với điểm Q (tức là điểm phân cực của nó) của mỗi bóng bán dẫn nằm ở điểm giới hạn 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 khi tải để tạo ra một chu kỳ dạng sóng đầy đủ. Cặp miễn phí NPN-PNP này còn được gọi là cấu hình đẩy-kéo.

Do xu hướng ngắt, dòng tĩnh bằng 0 khi không có tín hiệu đầu vào, do đó không có năng lượng nào 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 Loại B so với Loại A .

Tuy nhiên, vì bộ khuếch đại Loại B bị lệch sao cho dòng điện đầu ra chạy qua mỗi bóng bán dẫn chỉ trong một nửa chu kỳ đầu vào, do đó, dạng sóng đầu ra không phải là bản sao chính xác của dạng sóng đầu vào do tín hiệu đầu ra bị biến dạng. Sự biến dạng này xảy ra ở mỗi lần giao nhau bằng 0 của tín hiệu đầu vào tạo ra cái thường được gọi là méo giao nhau khi hai bóng bán dẫn tự “BẬT” lẫn nhau.

Vấn đề biến dạng này có thể được khắc phục dễ dàng bằng cách định vị điểm phân cực của bóng bán dẫn trên điểm giới hạn một chút. Bằng cách đặt bóng bán dẫn hơi cao hơn điểm giới hạn của nó nhưng thấp hơn nhiều so với điểm Q trung tâm của bộ khuếch đại loại A, chúng ta có thể tạo ra mạch khuếch đại loại AB. Mục đích cơ bản của bộ khuếch đại Class AB là duy trì cấu hình Class B cơ bản đồng thời cải thiện tính tuyến tính của nó bằng cách phân cực từng bóng bán dẫn chuyển mạch trên ngưỡng một chút.

Xu hướng A Bộ khuếch đại Class AB

Vì vậy, làm thế nào để chúng tôi làm điều này. Bộ khuếch đại Class AB có thể được tạo ra từ giai đoạn đẩy–kéo Class B tiêu chuẩn bằng cách phân cực cả hai bóng bán dẫn chuyển mạch thành dẫn nhẹ, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào. Sự sắp xếp phân cực nhỏ này đảm bảo rằng cả hai bóng bán dẫn dẫn đồng thời trong một phần rất nhỏ của dạng sóng đầu vào hơn 50 phần trăm của chu kỳ đầu vào, nhưng dưới 100 phần trăm.

Dải chết 0,6 đến 0,7V (sụt giảm một đi-ốt chuyển tiếp) tạo ra hiệu ứng méo phân tần trong bộ khuếch đại Loại B được giảm đáng kể bằng cách sử dụng phân cực phù hợp. Phân cực trước của các thiết bị bóng bán dẫn có thể đạt được theo một số cách khác nhau bằng cách sử dụng độ lệch điện áp đặt trước, mạng phân chia điện áp hoặc bằng cách sử dụng bố trí đi-ốt nối tiếp.

Phân cực điện áp của bộ khuếch đại loại AB

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

Khi tín hiệu đầu vào dương, điện áp ở đế của TR1 tăng tạo ra đầu ra dương với một lượng tương tự, làm tăng dòng điện của bộ thu chạy qua dòng điện nguồn TR1 tới tải, L . Tuy nhiên, do điện áp giữa hai đế là cố định và không đổi, nên bất kỳ sự gia tăng nào trong độ dẫn của TR1 sẽ gây ra sự giảm dẫn tương ứng và ngược chiều của TR2 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. Nghĩa là, TR2 tiến hành giảm 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, IN bằng 0, cả hai bóng bán dẫn đều dẫn điện nhẹ do độ lệch điện áp của chúng, nhưng khi điện áp đầu vào trở nên dương hoặc âm hơn, một trong hai bóng bán dẫn dẫn điện nhiều hơn hoặc là giảm nguồn 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 độ méo phân tần ảnh hưởng đến cấu hình Loại B được giảm đi đáng kể. Tuy nhiên, xu hướng không chính xác có thể gây ra các đột biến biến dạng phân tần sắc nét khi hai bóng bán dẫn chuyển đổi.

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

Xu hướng điện trở khuếch đại

Khi một dòng điện đi qua một điện trở, điện áp rơi trên điện trở được xác định theo định luật Ohm. Vì vậy, bằng cách đặt hai hoặc nhiều điện trở nối tiếp trên một điện áp cung cấp, chúng ta có thể tạo một mạng phân chia điện 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 trong đó các bóng bán dẫn, TR1 và TR2 dẫn điện trong nửa chu kỳ đối diện của dạng sóng đầu vào. Nghĩa là, khi IN in dương thì TR1 dẫn và khi IN âm thì TR2 dẫn .

Bốn điện trở R1 đến R4 được kết nối qua điện áp cung cấp Vcc để cung cấp phân cực điện trở cần thiết. Hai điện trở, R1 và R4 được chọn để đặt điểm Q cao hơn ngưỡng một chút với giá trị chính xác của BE được đặt ở khoảng 0,6V để điện áp giảm trên mạng điện trở đưa cơ sở của TR1 về 0,6 V, và của TR2 vào khoảng –0,6V.

Sau đó, tổng điện áp rơi trên các điện trở phân cực R2 và R3 xấp xỉ 1,2 vôn, thấp hơn giá trị cần thiết để bật hoàn toàn từng bóng bán dẫn. Bằng cách phân cực các bóng bán dẫn ngay trên điểm giới hạn, giá trị của dòng cực góp tĩnh, CQ , phải bằng không. Ngoài ra, do cả hai bóng bán dẫn chuyển mạch được mắc nối tiếp hiệu quả trên nguồn cung cấp, nên mức giảm vôn CEQ trên mỗi bóng bán dẫn sẽ xấp xỉ một nửa Vcc .

Trong khi phân cực điện trở của bộ khuếch đại Class AB hoạt động theo lý thuyết, dòng điện của bộ thu bóng bán dẫn rất nhạy cảm với những thay đổi trong điện áp phân cực cơ sở của nó, BE . Ngoài ra, điểm giới hạn của hai bóng bán dẫn miễn phí có thể không giống nhau, vì vậy việc tìm tổ 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 được hiển thị.

Xu hướng khuếch đại có thể điều chỉnh

Một điện trở hoặc chiết áp có thể điều chỉnh được có thể được sử dụng để phân cực cả hai bóng bán dẫn đến ngưỡng dẫn điện. Sau đó, các bóng bán dẫn TR1 và TR2 được phân cực qua B1 -VR1-R B2 để đầu ra của chúng được cân bằng và dòng tĩnh bằng 0 chạy vào tải.

Tín hiệu đầu vào được áp dụng qua các tụ điện C1 và C2 được đặt chồng lên các điện áp phân cực 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 đều có cùng tần số và biên độ khi chúng bắt nguồn từ IN .

Ưu điểm của cách sắp xếp phân cực có thể điều chỉnh này là mạch khuếch đại cơ bản không yêu cầu sử dụng các bóng bán dẫn bổ sung có đặc tính điện phù hợp chặt chẽ hoặc 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 năng lượng 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 những thay đổi về nhiệt độ. Bất kỳ thay đổi nhỏ nào về nhiệt độ hoạt động của điện trở phân cực (hoặc bóng bán dẫn) đều 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 phân cực điốt.

Xu hướng điốt khuếch đại

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, ( BE ) là sử dụng một cặp điốt phân cực thuận bình thường trong bố trí phân cực thuận của bộ khuếch đại như minh họa .

Một dòng điện nhỏ không đổi chạy qua mạch nối tiếp R1-D1-D2-R2 , tạo ra các sụt áp đối xứng ở hai bên của đầu vào. Không có điện áp tín hiệu đầu vào được áp dụng, điểm giữa hai điốt là 0 volt. 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 cơ sở của bóng bán dẫn chuyển mạch.

Do đó, điện áp rơi trên các điốt, làm lệch cực của bóng bán dẫn TR1 thành khoảng 0,7 vôn và cực của bóng bán dẫn TR2 là khoảng –0,7 vôn. Do đó, hai điốt silicon cung cấp điện áp giảm không đổi khoảng 1,4 vôn giữa hai đế làm lệch chúng trên mức giới hạn.

Khi nhiệt độ của mạch tăng lên, thì nhiệt độ của các điốt cũng tăng lên khi chúng được đặt bên cạnh các bóng bán dẫn. Do đó, điện áp trên đường giao nhau PN của điốt làm giảm việc chuyển hướng một số dòng cơ sở của bóng bán dẫn giúp ổn định dòng điện của bộ thu bóng bán dẫn.

Nếu các đặc tính điện của điốt gần giống với đặc tính điện của điểm nối cực 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 cho sự thay đổi nhiệt độ tạo ra hoạt động của Class AB cần thiết, do đó loại bỏ bất kỳ biến dạng chéo nào.

Trên thực tế, xu hướng đi-ốt dễ dàng thực hiện trong các bộ khuếch đại mạch tích hợp hiện đại vì cả đi-ốt 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 phổ biến. Điều này có nghĩa là cả hai đều có các đường cong đặc tính giống hệt nhau trong sự thay đổi nhiệt độ rộng giúp ổn định nhiệt cho dòng tĩnh.

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

Trong các ví dụ về xu hướng loại AB ở trên, tín hiệu đầu vào được ghép trực tiếp với 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 minh họa.

Trình điều khiển bộ khuếch đại lớp AB

Transistor TR3 hoạt động như một nguồn hiện tại thiết lập dòng phân cực 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 đế của TR3 , nó hoạt động như một tầng khuếch đại điều khiển các đế 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 tắt tắt, giống như trước đây.

Giống như 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 của bộ khuếch đại cơ bản.

Công việc của bộ khuếch đại công suất là cung cấp mức công suất đầu ra đáng kể (cả dòng điện cũng như điện áp) cho tải được kết nối với mức độ hiệu quả hợp lý. Điều này có thể đạt được bằng cách vận hành (các) bóng bán dẫn ở một trong hai chế độ vận hành cơ bản, Loại A hoặc Loại B.

Một cách để vận hành bộ khuếch đại với mức hiệu quả hợp lý là sử dụng giai đoạn đầu ra Loại B đối xứng dựa trên các bóng bán dẫn NPN và PNP bổ sung. Với mức độ phân cực thuận phù hợp, có thể giảm bất kỳ méo chéo nào do cả 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, 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 được hiển thị, tạo ra khoảng một watt thành 16 ohms với đáp ứng tần số khoảng 20Hz đến 20kHz.

Bộ khuếch đại lớp AB

Tóm tắt bộ khuếch đại

Ở đây, chúng ta đã thấy rằng bộ khuếch đại Lớp AB được phân cực sao cho dòng điện đầu ra chạy ít hơn một chu kỳ đầy đủ của dạng sóng đầu vào nhưng nhiều hơn 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 nửa chu kỳ đối diện của dạng sóng đầu vào trước khi được kết hợp khi tải.

Do đó, bằng cách cho phép cả hai bóng bán dẫn chuyển mạch dẫn dòng điện cùng một lúc 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 để giảm méo phân tần liên quan đến thiết kế bộ khuếch đại Loại B. Khi đó góc dẫn lớn hơn 180 o nhưng nhỏ hơn nhiều so với 360 o .

Chúng ta 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 cấu hình của Class B do dòng tĩnh nhỏ cần thiết để phân cực các bóng bán dẫn ngay trên ngưỡng. Tuy nhiên, việc sử dụng xu hướng không chính xác có thể gây ra các xung biến dạng phân tần tạo ra tình trạng tồi tệ hơn.

Phải nói rằng, bộ khuếch đại Class AB là một trong những thiết kế bộ khuếch đại công suất âm thanh được ưa thích nhất do sự kết hợp giữa hiệu quả khá tốt 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.


Chia sẻ