تقویت کننده‌ها با توجه به ویژگی‌های ساخت و عملکرد به کلاس‌های مختلفی طبقه بندی می‌شوند.
همه تقویت کننده‌ها یکسان نیستند و تفاوت روشنی بین نحوه پیکربندی و عملکرد مراحل خروجی آنها وجود دارد. ویژگی‌های اصلی عملکرد تقویت کننده ایده‌آل خطی بودن، بهره سیگنال، بازده و توان خروجی است، اما در تقویت کننده‌های واقعی همیشه بین این ویژگی‌های مختلف مبادله وجود دارد.
به طور کلی، تقویت کننده‌های سیگنال بزرگ یا توان در مراحل خروجی سیستم‌های تقویت کننده صوتی برای درایو بار بلندگو استفاده می‌شوند. یک بلندگوی معمولی دارای امپدانس بین 4Ω تا 8Ω است، بنابراین تقویت کننده توان باید بتواند جریان‌های پیک بالای مورد نیاز برای درایو بلندگوی امپدانس کم را تامین کند.
یکی از روش‌هایی که برای تمایز بین ویژگی‌های الکتریکی انواع مختلف تقویت کننده‌ها استفاده می‌شود، «کلاس» است و به این ترتیب، تقویت کننده‌ها با توجه به پیکربندی مدار و روش کار طبقه بندی می‌شوند. پس کلاس‌های تقویت کننده اصطلاحی است که برای تمایز بین انواع مختلف تقویت کننده استفاده می‌شود.
کلاس‌های تقویت کننده نمایش دهنده مقداری از سیگنال خروجی هستند که در هنگام تحریک توسط سیگنال ورودی سینوسی، در طول یک سیکل عملیات در مدار تقویت کننده، تغییر می‌کند. طبقه بندی تقویت کننده‌ها از عملکرد کاملا خطی (برای استفاده در تقویت سیگنال با وفاداری بالا به اصل) با بازده بسیار پایین، تا عملیات کاملا غیر خطی (که در آن وفاداری در بازتولید سیگنال چندان مهم نیست) اما با بازدهی بسیار بیشتر متفاوت هستند، در حالی که کلاس‌های دیگر مصالحه بین این دو هستند.
کلاس‌های تقویت کننده عمدتا به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند. اولین آنها تقویت کننده‌های زاویه هدایت با کنترل کلاسیک هستند که کلاس‌های متداول A، B، AB و C را تشکیل می‌دهند. این کلاس‌ها با طول حالت هدایت آنها در قسمتی از شکل موج خروجی تعریف می‌شوند، به طوری که عملکرد ترانزیستور مرحله خروجی جایی بین «کاملا روشن» و «کاملا خاموش» قرار می‌گیرد.
گروه دوم تقویت کننده‌ها، کلاس‌های تقویت کننده جدیدتر D، E، F، G، S، T و… موسوم به «سوئیچینگ» هستند که از مدارهای دیجیتال و مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای تغییر مداوم سیگنال بین “«کاملا روشن» و «کاملا خاموش» استفاده کرده و خروجی را به شدت وارد ناحیه‌های اشباع و قطع می‌کنند.
متداول‌ترین کلاس‌های تقویت کننده، کلاس‌هایی هستند که به عنوان تقویت کننده‌های صوتی استفاده می‌شوند، عمدتا کلاس A، B، AB و C. برای سادگی بیشتر، در اینجا تنها این نوع کلاس‌ها را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم.
تقویت کننده کلاس A
تقویت کننده‌های کلاس A متداول‌ترین نوع توپولوژی تقویت کننده هستند، زیرا در طرح خود تنها از یک ترانزیستور سوئیچینگ خروجی (دوقطبی، FET، IGBT و غیره) استفاده می‌کنند. این تک ترانزیستور خروجی در اطراف نقطه Q در وسط خط بار خود بایاس شده است و بنابراین هرگز به ناحیه قطع یا اشباع خود رانده نمی‌شود، بنابراین می‌تواند جریان را در °۳۶۰ کامل سیکل ورودی هدایت کند. پس ترانزیستور خروجی در توپولوژی کلاس A هرگز «خاموش» نمی‌شود، که یکی از معایب اصلی آن است.
تقویت کننده‌های کلاس «A» در صورت طراحی درست، به دلیل خطی بودن عالی، بهره زیاد و سطح پایین اعوجاج سیگنال، بهترین کلاس تقویت کننده محسوب می‌شوند. اگرچه به دلیل ملاحظات مربوط به منبع تغذیه حرارتی، به ندرت در کاربردهای تقویت کننده توان بالا استفاده می‌شوند، تقویت کننده‌های کلاس A احتمالا بهتر از دیگر کلاس‌های تقویت کننده ذکر شده به نظر می‌رسند و به همین دلیل در طراحی تقویت کننده‌های صوتی های-فای (وفاداری زیاد به اصل) استفاده می‌شوند.
برای دستیابی به خطی بودن و بهره زیاد، مرحله خروجی تقویت کننده کلاس A دائما در حالت «روشن» (هدایت) بایاس شده است. پس برای این که تقویت کننده به عنوان «کلاس A» طبقه بندی شود، جریان بی باری سیگنال صفر در مرحله خروجی باید برابر یا بیشتر از حداکثر جریان بار (معمولا بلندگو) مورد نیاز برای تولید بزرگ‌ترین سیگنال خروجی باشد.
از آنجا که تقویت کننده کلاس A در قسمت خطی منحنی مشخصه خود عمل می‌کند، این تک دستگاه خروجی °۳۶۰ کامل شکل موج خروجی را هدایت می‌کند. پس تقویت کننده کلاس A معادل منبع جریان است.
از آنجا که تقویت کننده کلاس A در ناحیه خطی کار می‌کند، ولتاژ بایاس DC بیس (یا گیت) باید به درستی انتخاب شود تا از عملکرد صحیح و اعوجاج کم اطمینان حاصل شود. با این حال، از آنجا که دستگاه خروجی همیشه «روشن» است، دائما جریان را عبور می‌دهد، که نشان دهنده اتلاف مداوم توان در تقویت کننده است.
با توجه به این اتلاف مداوم توان، تقویت کننده‌های کلاس A مقدار زیادی حرارت ایجاد می‌کنند. این امر، به همراه بازده بسیار پایین آنها در حدود %۳۰، باعث می‌شود که آنها برای تقویت سیگنال با توان بالا غیر عملی باشند. همچنین با توجه به جریان بی باری زیاد تقویت کننده، اندازه منبع تغذیه باید متناسب باشد و به خوبی فیلتر شود تا از صدای همهمه و سر و صدای تقویت کننده جلوگیری شود. بنابراین، به دلیل بازده پایین و مشکل گرمایش بیش از حد تقویت کننده‌های کلاس A، کلاس‌های کارآمدتری توسعه داده شده است.
تقویت کننده کلاس B
تقویت کننده‌های کلاس B به عنوان راه حلی برای مشکلات بازده و گرمایش مربوط به تقویت کننده کلاس A اختراع شدند. تقویت کننده پایه کلاس B از دو ترانزیستور مکمل، دوقطبی یا FET برای هر نیمه از شکل موج استفاده می‌کند و مرحله خروجی آن در آرایش نوع «پوش-پول» پیکربندی شده است، به طوری که هر دستگاه ترانزیستور تنها نیمی از شکل موج خروجی را تقویت می‌کند.
در تقویت کننده کلاس B، جریان بایاس بیس DC وجود ندارد، زیرا جریان نقطه کار آن صفر است، بنابراین توان DC کم و در نتیجه بازده آن بسیار بیشتر از تقویت کننده کلاس A است. با این حال، هزینه‌ای که برای بهبود بازده پرداخت می‌شود، در خطی بودن دستگاه سوئیچینگ است.
هنگامی که سیگنال ورودی مثبت می‌شود، ترانزیستوری که بایاس مثبت دارد، هدایت می‌کند، در حالی که ترانزیستور منفی «خاموش» است. به همین ترتیب، هنگامی که سیگنال ورودی منفی می‌شود، ترانزیستور مثبت «خاموش» می‌شود، در حالی که ترانزیستوری که بایاس منفی دارد، «روشن» شده و قسمت منفی سیگنال را هدایت می‌کند. بنابراین هر ترانزیستور تنها نیمی از زمان، در نیم سیکل مثبت یا منفی سیگنال ورودی، هدایت می‌کند.
پس می‌بینیم که هر دستگاه ترانزیستور در تقویت کننده کلاس B تنها یک نیمه یا °۱۸۰ درجه از شکل موج خروجی را در تناوب زمانی دقیق هدایت می‌کند. اما از آنجا که در مرحله خروجی دستگاه‌هایی برای هر دو نیمه شکل موج سیگنال وجود دارد، این دو نیمه با هم ترکیب شده و شکل موج خروجی خطی کامل را تولید می‌کنند.
این طراحی پوش-پول تقویت کننده، بازده بیشتری نسبت به کلاس A دارد، در حدود %۵۰. اما مشکل طراحی تقویت کننده کلاس B این است که می‌تواند در نقطه عبور از صفر شکل موج، به دلیل نوار مرده ترانزیستورها در ولتاژهای ورودی بیس، از -۰/۷V تا +۰/۷V، اعوجاج ایجاد کند.
از آموزش ترانزیستور به یاد داریم که برای این که ترانزیستور دوقطبی شروع هدایت کند، به یک ولتاژ بیس-امیتر در حدود ۰/۷V نیاز داریم. پس در یک تقویت کننده کلاس B، ترانزیستور خروجی تا زمانی که از این ولتاژ فراتر نرود، به حالت «روشن» «بایاس» نمی‌شود.
این بدان معنی است که قسمتی از شکل موج که در این پنجره ۰/۷V قرار می‌گیرد، به طور دقیق بازتولید نمی‌شود و باعث می‌شود تقویت کننده کلاس B برای کاربردهای تقویت کننده صوتی دقیق نامناسب باشد.
برای غلبه بر این اعوجاج عبور از صفر، تقویت کننده‌های کلاس AB ساخته شدند.
تقویت کننده کلاس AB
همانطور که از نامش پیدا است، تقویت کننده کلاس AB ترکیبی از تقویت کننده‌های «کلاس A» و «کلاس B» است که در بالا بررسی کردیم. طبقه بندی AB تقویت کننده در حال حاضر یکی از رایج‌ترین انواع طراحی تقویت کننده توان صوتی است. تقویت کننده کلاس AB نسخه‌ای از تقویت کننده کلاس B است که در بالا توضیح داده شد، با این تفاوت که هر دو دستگاه مجاز به هدایت همزمان در نقطه گذر از صفر شکل موج هستند و مشکلات اعوجاج تقویت کننده کلاس B را حذف می‌کند.
این دو ترانزیستور دارای ولتاژ بایاس بسیار کمی هستند، معمولا در %۵ تا %۱۰ درصد جریان نقطه کار، تا ترانزیستورها درست بالای نقطه قطع خود بایاس شوند. پس دستگاه هدایت کننده، دوقطبی یا FET، در طول بیش از یک نیم سیکل، اما بسیار کمتر از یک سیکل کامل سیگنال ورودی، «روشن» است. بنابراین، در طراحی تقویت کننده کلاس AB، هر یک از ترانزیستورهای پوش-پول کمی بیشتر از نیم سیکل هدایت در کلاس B، اما بسیار کمتر از سیکل کامل هدایت در کلاس A، هدایت می‌کنند.
به عبارت دیگر، زاویه هدایت یک تقویت کننده کلاس AB بسته به نقطه بایاس انتخاب شده، بین °۱۸۰ تا °۳۶۰ است.
مزیت این ولتاژ بایاس کوچک، که توسط دیودها یا مقاومت‌های سری تامین می‌شود، این است که اعوجاج گذر از صفر ایجاد شده توسط مشخصه‌های تقویت کننده کلاس B برطرف می‌شود و بازده آن از طراحی تقویت کننده کلاس A بیشتر است. بنابراین تقویت کننده کلاس AB از نظر بازده و خطی بودن، مصالحه خوبی بین کلاس A و کلاس B است، با بازده تبدیل حدود %۵۰ تا %۶۰.
تقویت کننده کلاس C
طراحی تقویت کننده کلاس C، در بین کلاس‌های ذکر شده، بیشترین بازده را دارد اما از نظر خطی بودن ضعیف‌ترین است. کلاس‌های قبلی، A، B و AB، تقویت کننده خطی در نظر گرفته می‌شوند، زیرا دامنه و فاز سیگنال خروجی رابطه‌ای خطی با دامنه و فاز سیگنال ورودی دارد.
با این حال، تقویت کننده کلاس C به شدت بایاس شده است، به طوری که جریان خروجی برای بیش از نیمی از سیکل سیگنال سینوسی ورودی صفر است و ترانزیستور در نقطه قطع خود در حالت بی باری است. به عبارت دیگر، زاویه هدایت برای ترانزیستور به طور قابل توجهی کمتر از °۱۸۰ و عموما در حدود °۹۰ است.
در حالی که این شکل از بایاس ترانزیستور بازده بسیار بالایی در حدود %۸۰ به تقویت کننده می‌دهد، اعوجاج بسیار زیادی در سیگنال خروجی ایجاد می‌کند. بنابراین، تقویت کننده‌های کلاس C برای استفاده به عنوان تقویت کننده‌های صوتی مناسب نیستند.
به دلیل اعوجاج شدید صوتی، تقویت کننده‌های کلاس C معمولا در نوسان سازهای موج سینوسی با فرکانس بالا و انواع خاصی از تقویت کننده‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌شوند، که در آن پالس‌های جریان تولید شده در خروجی تقویت کننده را می‌توان با استفاده از مدارهای تشدید کننده LC در مدار کلکتور آن، به امواج سینوسی کامل با فرکانس خاص تبدیل کرد.
خلاصه کلاس های تقویت کننده
پس مشاهده کردیم که نقطه کار DC (نقطه Q) تقویت کننده، طبقه بندی آن را تعیین می‌کند. با تنظیم موقعیت نقطه Q در وسط خط بار منحنی مشخصه تقویت کننده، مدار به عنوان تقویت کننده کلاس A عمل می‌کند. با حرکت دادن نقطه Q در خط بار به سمت پایین، مدار به یک تقویت کننده کلاس B، AB یا C تبدیل می‌شود.
پس کلاس عملکرد تقویت کننده را با توجه به نقطه کار DC آن، می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
کلاس های تقویت کننده و بازده
علاوه بر تقویت کننده‌های صوتی، تعدادی کلاس تقویت کننده با بازده بالا مرتبط با طرح‌های تقویت کننده سوئیچینگ وجود دارد که از تکنیک‌های مختلف سوئیچینگ برای کاهش اتلاف توان و افزایش بازده استفاده می‌کند. برخی از طرح‌های کلاس تقویت کننده که در زیر فهرست شده‌اند از تشدید کننده‌های RLC یا ولتاژهای منبع تغذیه متعدد برای کاهش اتلاف توان استفاده می‌کنند، یا تقویت‌کننده‌های دیجیتال DSP (پردازش سیگنال دیجیتال) هستند که از تکنیک‌های سوئیچینگ مدولاسیون عرض پالس (PWM) استفاده می‌کنند.
سایر کلاس های متداول تقویت کننده
- تقویت کننده کلاس D – تقویت کننده صوتی کلاس D اساسا یک تقویت کننده سوئیچینگ غیر خطی یا تقویت کننده PWM است. از لحاظ نظری، تقویت کننده‌های کلاس D می‌توانند به بازده %۱۰۰ برسند، زیرا هیچ دوره‌ای در سیکل وجود ندارد که شکل موج ولتاژ و جریان با هم تداخل داشته باشند، چراکه جریان تنها از ترانزیستور روشن عبور می‌کند.
- تقویت کننده کلاس F – تقویت کننده‌های کلاس F با استفاده از تشدید کننده‌های هارمونیک در شبکه خروجی، شکل موج خروجی را به شکل یک موج مربعی در آورده و با این کار، هم بازده و هم خروجی را افزایش می‌دهند اگر از تنظیمات هارمونیک بینهایت استفاده شود، تقویت کننده‌های کلاس F می‌توانند بازده بالایی، بیش از %۹۰، داشته باشند.
- تقویت کننده کلاس G – کلاس G پیشرفت‌هایی در طراحی تقویت کننده کلاس AB اصلی ارائه می‌دهد. کلاس G از چندین ریل منبع تغذیه با ولتاژهای مختلف استفاده می‌کند و با تغییر سیگنال ورودی، به طور خودکار بین این ریل‌های تغذیه جابجا می‌شود. این سوئیچینگ مداوم، مصرف متوسط توان و در نتیجه اتلاف توان ناشی از گرمایش را کاهش می‌دهد.
- تقویت کننده کلاس I – تقویت کننده کلاس I دارای دو مجموعه سوئیچینگ خروجی مکمل است که در پیکربندی موازی پوش-پول قرار گرفته‌اند و هر دو مجموعه سوئیچینگ از یک شکل موج ورودی نمونه برداری می‌کنند. یک دستگاه نیمه مثبت شکل موج و دستگاه دیگر نیمه منفی را سوئیچ می‌کند، شبیه به تقویت کننده کلاس B. در صورت عدم وجود سیگنال ورودی یا هنگامی که یک سیگنال به نقطه عبور از صفر برسد، دستگاه‌های سوئیچینگ همزمان روشن و خاموش می‌شوند و چرخه کاری ۵۰ درصدی PWM باعث لغو سیگنال‌های فرکانس بالا می‌شود. برای تولید نیمه مثبت سیگنال خروجی، خروجی دستگاه سوئیچینگ مثبت در چرخه کار افزایش می‌یابد، در حالی که دستگاه سوئیچینگ منفی به همان میزان کاهش می‌یابد و بالعکس. گفته می‌شود که دو جریان سیگنال سوئیچینگ در خروجی با هم آمیخته می‌شوند و به تقویت کننده کلاس I نام «تقویت کننده PWM در هم آمیخته» را می‌دهند که در فرکانس‌های سوئیچینگ بیش از 250kHz کار می‌کند.
- تقویت کننده کلاس S – تقویت کننده توان کلاس S یک تقویت کننده حالت سوئیچینگ غیر خطی می‌باشد که از نظر عملکرد شبیه تقویت کننده کلاس D است. تقویت کننده کلاس S سیگنال‌های ورودی آنالوگ را با استفاده از مدولاتور دلتا-سیگما به پالس‌های موج مربعی دیجیتال تبدیل کرده و آنها را تقویت می‌کند تا توان خروجی را افزایش دهد و در نهایت توسط فیلتر میان گذر آن را دمدوله می‌کند. از آنجا که سیگنال دیجیتالی این تقویت کننده سوئیچینگ همواره کاملا «روشن» یا «خاموش» است (اتلاف انرژی صفر از لحاظ نظری)، رسیدن به بازده %۱۰۰ امکان پذیر است.
- تقویت کننده کلاس T – تقویت کننده کلاس T نوع دیگری از طراحی تقویت کننده سوئیچینگ دیجیتال است. تقویت کننده‌های کلاس T به دلیل وجود تراشه‌های پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) و تقویت کننده‌های صدای فراگیر چند کاناله، این روزها به عنوان یک تقویت کننده صوتی محبوبیت بیشتری پیدا کرده‌اند، زیرا برای تقویت، سیگنال‌های آنالوگ را به سیگنال‌های مدولاسیون عرض پالس (PWM) دیجیتال تبدیل می‌کند و با این کار بازده تقویت کننده را افزایش می‌دهد. طرح‌های تقویت کننده کلاس T ترکیبی از سطوح سیگنال اعوجاج کم تقویت کننده کلاس AB و بازده توان تقویت کننده کلاس D است.
در اینجا تعدادی طبقه بندی تقویت کننده‌ها را، از تقویت کننده‌های توان خطی تا تقویت کننده‌های سوئیچینگ غیر خطی، مشاهده کردیم و تفاوت کلاس تقویت کننده در طول خط بار را دیدیم. تقویت کننده‌های کلاس B، AB و C را می‌توان بر اساس زاویه هدایت (θ) به شرح زیر تعریف کرد:
کلاس تقویت کننده بر اساس زاویه هدایت
