خروجی تقویت کننده کلاس AB مزایای تقویت کننده کلاس A و کلاس B را ترکیب کرده و طراحی تقویت کننده بهتری را ایجاد می‌کند.
هدف هر تقویت کننده تولید یک خروجی است که از مشخصه سیگنال ورودی پیروی کند اما به اندازه کافی بزرگ باشد که نیازهای بار متصل به آن را تامین کند.
مشاهده کردیم که توان خروجی تقویت کننده حاصل ضرب ولتاژ و جریانی است که به بار اعمال می‌شود (P=V×I)، در حالی که توان ورودی حاصل ضرب ولتاژ و جریان DC است که از منبع تغذیه گرفته می‌شود.
اگرچه در تقویت کننده کلاس A (که در آن ترانزیستور خروجی در 100% زمان در حال هدایت است) تقویت می‌تواند زیاد باشد، اما بازده تبدیل از منبع تغذیه DC به خروجی AC به طور کلی ضعیف و کمتر از 50% است.
با این حال اگر مدار تقویت کننده کلاس A را طوری تغییر دهیم که در حالت کلاس B عمل کند (که در آن هر ترانزیستور تنها 50% از زمان در حال هدایت است) جریان کلکتور در هر ترانزیستور تنها در طول 180° از سیکل جاری می‌شود. مزیت در اینجا این است که بازده تبدیل DC به AC بسیار بیشتر و در حدود 75% است، اما این پیکربندی کلاس B منجر به اعوجاج گذر از صفر سیگنال خروجی می‌شود که ممکن است غیرقابل قبول باشد.
یکی از راه‌های تولید تقویت کننده با بازده بالا در پیکربندی کلاس B همراه با اعوجاج کم پیکربندی کلاس A، ایجاد یک مدار تقویت کننده است که ترکیبی از دو کلاس قبلی باشد و منجر به نوع جدیدی از مدار تقویت کننده به نام تقویت کننده کلاس AB شود.
پس خروجی تقویت کننده کلاس AB مزایای تقویت کننده کلاس A و کلاس B را ترکیب می‌کند، در حالی که مشکلات بازده کم و اعوجاج مربوط به آنها را به حداقل می‌رساند.
همانطور که گفتیم، تقویت کننده کلاس AB ترکیبی از کلاس‌های A و B است که برای خروجی‌های توان کوچک به عنوان تقویت کننده کلاس A عمل می‌کند اما برای خروجی‌های جریان بزرگ‌تر به تقویت کننده کلاس B تغییر می‌کند. این عمل با پیش بایاس دو ترانزیستور در مرحله خروجی تقویت کننده انجام می‌شود.
بنابراین هر ترانزیستور، بسته به میزان خروجی جریان و پیش بایاس، بین 180° تا 360° از سیکل هدایت می‌کند. در نتیجه مرحله خروجی تقویت کننده به عنوان کلاس AB عمل می‌کند.
ابتدا سیگنال‌های خروجی را برای کلاس‌های مختلف تقویت کننده بررسی می‌کنیم.
مقایسه کلاس‌های مختلف تقویت کننده
کلاس‌های تقویت کننده همیشه به شرح زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
- کلاس A – تک ترانزیستور خروجی تقویت کننده در طول 360° کامل سیکل شکل موج ورودی هدایت می‌کند.
- کلاس B – دو ترانزیستور خروجی تقویت کننده تنها در طول یک نیمه، یعنی 180° از شکل موج ورودی، هدایت می‌کنند.
- کلاس AB – دو ترانزیستور خروجی تقویت کننده بین 180° تا 360° از شکل موج ورودی هدایت می‌کنند.
عملکرد تقویت کننده کلاس A
برای عملکرد تقویت کننده کلاس A، نقطه Q ترانزیستور سوئیچینگ در نزدیکی مرکز خط بار مشخصه خروجی ترانزیستور و در ناحیه خطی قرار دارد. این به ترانزیستور اجازه می‌دهد تا در طول 360° کامل هدایت کند، بنابراین سیگنال خروجی در طول چرخه کامل سیگنال ورودی تغییر می‌کند.
مزیت اصلی کلاس A این است که سیگنال خروجی همیشه بازتولید دقیق سیگنال ورودی است، که اعوجاج را کاهش می‌دهد. با این حال، کلاس A از بازده ضعیف رنج می‌برد، زیرا برای بایاس ترانزیستور در مرکز خط بار، باید همواره یک جریان نقطه کار DC مناسب از ترانزیستور سوئیچینگ عبور کند، حتی اگر سیگنال ورودی برای تقویت وجود نداشته باشد.
عملکرد تقویت کننده کلاس B
برای عملکرد تقویت کننده کلاس B، از دو ترانزیستور سوئیچینگ مکمل استفاده می‌شود، به طوری که نقطه Q (نقطه بایاس) هر ترانزیستور واقع در نقطه قطع آن خواهد بود.
این اجازه می‌دهد تا یک ترانزیستور سیگنال را در طول نیمی از شکل موج ورودی تقویت کند، در حالی که ترانزیستور دیگر نیمه دیگر را تقویت می‌کند. سپس این دو نیمه تقویت شده در بار با هم ترکیب شده و یک چرخه کامل شکل موج تولید می‌کنند. این جفت مکمل NPN-PNP به عنوان پیکربندی پوش-پول (Push-Pull) نیز شناخته می‌شود.
به دلیل بایاس در نقطه قطع، جریان نقطه کار در صورت عدم وجود سیگنال ورودی صفر است، بنابراین هنگامی که ترانزیستورها در حالت بی باری هستند، هیچ توانی اتلاف نمی‌شود و هدر نمی‌رود و این باعث افزایش بازده کلی تقویت کننده کلاس B نسبت به کلاس A می‌شود.
با این حال، از آنجا که تقویت کننده کلاس B طوری بایاس شده است که جریان خروجی تنها در طول نیمی از سیکل ورودی از هر ترانزیستور عبور می‌کند، بنابراین شکل موج خروجی بازتولید دقیق شکل موج ورودی نیست، زیرا سیگنال خروجی اعوجاج دارد. این اعوجاج هر بار که سیگنال ورودی از نقطه صفر عبور می‌کند، ایجاد می‌شود که عموما اعوجاج گذر از صفر نامیده می‌شود، زیرا در این لحظه یک ترانزیستور خاموش و دیگری روشن می‌شود.
این مشکل اعوجاج را می‌توان با قرار دادن نقطه بایاس ترانزیستور کمی بالاتر از نقطه قطع، برطرف کرد. با بایاس ترانزیستور کمی بالاتر از نقطه قطع آن اما بسیار پایین‌تر از نقطه Q مرکزی تقویت کننده کلاس A، می‌توانیم مدار تقویت کننده کلاس AB را ایجاد کنیم. هدف اساسی تقویت کننده کلاس AB حفظ پیکربندی اولیه کلاس B و در عین حال بهبود خطی بودن آن با بایاس هر ترانزیستور سوئیچینگ کمی بالاتر از آستانه است.
بایاس تقویت کننده کلاس AB
چگونه این کار را انجام دهیم؟ تقویت کننده کلاس AB را می‌توان از یک مرحله استاندارد پوش-پول کلاس B با بایاس هر دو ترانزیستور در حالت هدایت خفیف، حتی در صورت عدم وجود سیگنال ورودی، ساخت. این آرایش کوچک بایاس اطمینان حاصل می‌کند که هر دو ترانزیستور به طور همزمان در بخش بسیار کوچکی از شکل موج ورودی هدایت کنند، یهنی هدایت هر ترانزیستور بیش از 50% از سیکل ورودی، اما کمتر از 100% آن است.
باند مرده 0.6V تا 0.7V (افت ولتاژ یک دیود مستقیم) که باعث ایجاد اثر اعوجاج گذر از صفر در تقویت کننده‌های کلاس B می‌شود، با استفاده از بایاس مناسب تا حد زیادی کاهش می‌یابد. پیش بایاس دستگاه‌های ترانزیستور را می‌توان به روش‌های مختلف، با استفاده از بایاس ولتاژ از پیش تعیین شده، شبکه تقسیم ولتاژ یا با استفاده از آرایش سری دیودها به دست آورد.
بایاس ولتاژ تقویت کننده کلاس AB
در اینجا بایاس ترانزیستورها با استفاده از ولتاژ بایاس ثابت مناسب اعمال شده بر بیس TR1 و TR2 حاصل می‌شود. پس ناحیه‌ای وجود دارد که هر دو ترانزیستور در حال هدایت هستند و جریان کوچک نقطه کار کلکتور که از TR1 عبور می‌کند با جریان کوچک نقطه کار کلکتور عبوری از TR2 ترکیب شده و وارد بار می‌شود.
هنگامی که سیگنال ورودی مثبت می‌شود، ولتاژ بیس TR1 افزایش می‌یابد و خروجی مثبت و مشابهی ایجاد می‌کند که جریان کلکتور TR1 را افزایش داده و به بار (RL) تحویل می‌دهد. با این حال، از آنجا که ولتاژ بین دو بیس ثابت است، هرگونه افزایش در هدایت TR1 باعث کاهش برابر و مخالف در هدایت TR2 در طول نیم سیکل مثبت می‌شود.
در نتیجه، ترانزیستور TR2 در نهایت خاموش می‌شود و ترانزیستور با بایاس مستقیم (TR1) به تنهایی تمام بهره جریان را به بار منتقل می‌کند. به همین ترتیب، در طول نیمه منفی ولتاژ ورودی، عکس آن رخ می‌دهد. یعنی با منفی‌تر شدن سیگنال ورودی، TR1 خاموش می‌شود و TR2 جریان را از بار می‌کشد.
پس می‌بینیم که وقتی ولتاژ ورودی (Vin) صفر است، هر دو ترانزیستور به دلیل بایاس ولتاژ کمی هدایت می‌کنند، اما با مثبت‌تر یا منفی‌تر شدن ولتاژ ورودی، یکی از دو ترانزیستور بیشتر هدایت می‌کند (جریان را به بار منتقل کرده یا از آن می‌کشد).
از آنجا که جابجایی بین دو ترانزیستور تقریبا فوری رخ می‌دهد و روان است، اعوجاج گذر از صفر که بر پیکربندی کلاس B تاثیر می‌گذارد بسیار کاهش می‌یابد. با این حال، بایاس نادرست می‌تواند باعث افزایش شدید اعوجاج گذر از صفر در جابجایی بین دو ترانزیستور شود.
استفاده از ولتاژ بایاس ثابت به هر ترانزیستور اجازه می‌دهد تا در طول بیش از نیمی از سیکل ورودی هدایت کند (عملکرد کلاس AB). با این حال، استفاده از باتری‌های اضافی در طراحی مرحله خروجی تقویت کننده کاربردی نیست. یک راه بسیار ساده و آسان برای تولید دو ولتاژ بایاس ثابت برای ایجاد یک نقطه Q پایدار در نزدیکی نقاط قطع ترانزیستورها، استفاده از یک شبکه تقسیم ولتاژ مقاومتی است.
بایاس مقاومتی تقویت کننده کلاس AB
هنگامی که جریان از مقاومت عبور می‌کند، افت ولتاژ در مقاومت ایجاد می‌شود که توسط قانون اهم تعریف شده است. بنابراین با قرار دادن دو یا چند مقاومت به صورت سری در مسیر ولتاژ منبع، می‌توانیم یک شبکه تقسیم ولتاژ ایجاد کنیم که مجموعه‌ای از ولتاژهای ثابت را با مقادیر دلخواه ما تولید کند.
مدار اصلی شبیه به مدار بایاس ولتاژ است، زیرا ترانزیستورها (TR1 و TR2) در نیم سیکل‌های مخالف هدایت می‌کنند. یعنی هنگامی که Vin مثبت است، TR1 و هنگامی که Vin منفی است، TR2 هدایت می‌کند.
چهار مقاومت (R1 تا R4) به ولتاژ تغذیه (VCC) متصل شده‌اند تا بایاس مقاومتی مورد نیاز را تامین کنند. دو مقاومت R1 و R4 برای تنظیم نقطه Q کمی بالاتر از نقطه قطع انتخاب می‌شوند و مقدار صحیح VBE در حدود 0.6V تنظیم می‌شود، به طوری که افت ولتاژ در شبکه مقاومتی بیس TR1 را به حدود 0.6V و بیس TR2 را به -0.6V می‌رساند.
پس افت ولتاژ کل در مقاومت‌های بایاس R2 و R3 تقریبا 1.2V است که کمی کمتر از مقدار لازم برای روشن شدن کامل هر ترانزیستور است. با بایاس ترانزیستورها درست در بالای نقطه قطع، مقدار جریان نقطه کار کلکتور (ICQ) باید صفر باشد. همچنین، از آنجا که هر دو ترانزیستور سوئیچینگ عملا به صورت سری به منبع تغذیه متصل شده‌اند، افت ولتاژ VCEQ در هر ترانزیستور تقریبا نصف VCC خواهد بود.
در حالی که بایاس مقاومتی تقویت کننده کلاس AB از نظر تئوری عملی است، جریان کلکتور ترانزیستورها نسبت به تغییرات ولتاژ بایاس بیس (VBE) بسیار حساس است. همچنین، نقطه قطع دو ترانزیستور مکمل ممکن است یکسان نباشد، بنابراین یافتن ترکیب مقاومتی مناسب در شبکه تقسیم ولتاژ ممکن است مشکل ساز باشد. یکی از راه های غلبه بر این مشکل، استفاده از مقاومت متغیر برای تنظیم نقطه Q صحیح است.
بایاس قابل تنظیم تقویت کننده
از یک مقاومت قابل تنظیم یا پتانسیومتر می‌توان برای بایاس هر دو ترانزیستور در آستانه هدایت استفاده کرد. پس ترانزیستورهای TR1 و TR2 از طریق RB1-VR1-RB2 بایاس می‌شوند تا خروجی‌های آنها متعادل شده و جریان نقطه کار صفر به بار وارد شود.
سیگنال ورودی که از طریق خازن‌های C1 و C2 اعمال می‌شود، بر روی ولتاژهای بایاس قرار می‌گیرد و به بیس هر دو ترانزیستور اعمال می‌شود. توجه داشته باشید که هر دو سیگنال اعمال شده بر روی هر بیس فرکانس و دامنه یکسانی دارند، چراکه از Vin نشئت می‌گیرند.
مزیت این آرایش بایاس قابل تنظیم این است که مدار تقویت کننده اصلی نیازی به استفاده از ترانزیستورهای مکمل با ویژگی‌های الکتریکی بسیار نزدیک یا نسبت مقاومت دقیق در شبکه تقسیم ولتاژ ندارد، زیرا برای جبران تفاوت‌ها می‌توان پتانسیومتر را تنظیم کرد.
از آنجا که مقاومت‌ها دستگاه‌هایی پسیو هستند که توان الکتریکی را به دلیل توان نامی خود به گرما تبدیل می‌کنند، بایاس مقاومتی تقویت کننده کلاس AB، ثابت یا قابل تنظیم، ممکن است نسبت به تغییرات دما بسیار حساس باشد. هرگونه تغییر جزئی در دمای عملکرد مقاومت‌های بایاس (یا ترانزیستورها) ممکن است بر مقدار آنها تاثیر بگذارد و تغییرات نامطلوبی را در جریان نقطه کار کلکتور هر ترانزیستور ایجاد کند. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل مربوط به دما، جایگزین کردن مقاومت‌ها با دیود برای استفاده از بایاس دیودی است.
بایاس دیودی تقویت کننده کلاس AB
در حالی که استفاده از مقاومت‌های بایاس ممکن است مشکل دما را حل نکند، یکی از راه‌های جبران هر گونه تغییر دمایی در ولتاژ بیس-امیتر (VBE) استفاده از یک جفت دیود معمولی با بایاس مستقیم در آرایش بایاس تقویت کننده است.
یک جریان ثابت کوچک از مدار سری R1-D1-D2-R2 عبور می‌کند و افت ولتاژی ایجاد می‌کند که در هر دو طرف ورودی متقارن است. بدون اعمال ولتاژ سیگنال ورودی، نقطه بین دو دیود 0V است. با عبور جریان از زنجیره، افت ولتاژ بایاس مستقیم تقریبا 0.7V در دیودها وجود دارد که به پیوندهای بیس-امیتر ترانزیستورهای سوئیچینگ اعمال می‌شود.
بنابراین افت ولتاژ در دیودها، بیس ترانزیستور TR1 را در حدود 0.7V و بیس ترانزیستور TR2 را در حدود -0.7V بایاس می‌کند. در نتیجه دو دیود سیلیکونی افت ولتاژ ثابتی را در حدود 1.4V بین دو بیس ایجاد می‌کنند که آنها را در بالای نقطه قطع قرار می‌دهد.
با افزایش دمای مدار، دمای دیودها نیز افزایش می‌یابد، چراکه در کنار ترانزیستورها قرار دارند. بنابراین ولتاژ در محل پیوند pn دیود کاهش می‌یابد و مقداری از جریان بیس ترانزیستور را منحرف می‌کند که باعث تثبیت جریان کلکتور ترانزیستور می‌شود.
اگر ویژگی‌های الکتریکی دیودها با پیوند بیس-امیتر ترانزیستورها انطباق زیادی داشته باشد، جریان عبوری از دیودها و جریان در ترانزیستورها یکسان خواهد بود و چیزی ایجاد می‌شود که آینه جریان نامیده می‌شود. تأثیر این آینه جریان، تغییرات دما را جبران کرده و عملکرد مورد نیاز کلاس AB را ایجاد می‌کند و در نتیجه هرگونه اعوجاج گذر از صفر حذف می‌شود.
در عمل، بایاس دیودی به راحتی در تقویت کننده‌های مدار مجتمع مدرن انجام می‌شود، زیرا هم ترانزیستور سوئیچینگ و هم دیود بر روی یک تراشه ساخته شده‌اند، مانند IC محبوب تقویت کننده توان صوتی LM386. این بدان معنی است که هر دو دارای منحنی‌های مشخصه یکسانی در تغییرات وسیع دما هستند، که باعث ایجاد تثبیت حرارتی جریان نقطه کار می‌شود.
بایاس مرحله خروجی تقویت کننده کلاس AB عموما متناسب با کاربرد خاص تقویت کننده تنظیم می‌شود. جریان نقطه کار تقویت کننده برای به حداقل رساندن مصرف توان، مانند عملکرد کلاس B، به صفر تنظیم می‌شود، یا برای عبور جریان بسیار کم تنظیم می‌شود که اعوجاج گذر از صفر را به حداقل می‌رساند و یک عملکرد تقویت کننده کلاس AB واقعی ایجاد می‌کند.
در مثال‌های بایاس کلاس AB بالا، سیگنال ورودی مستقیما از طریق خازن‌ها به بیس‌های ترانزیستورهای سوئیچینگ متصل می‌شود. اما می‌توانیم با افزودن یک مرحله راه انداز امیتر مشترک معمولی، مرحله خروجی تقویت کننده کلاس AB را کمی بیشتر بهبود بخشیم.
مرحله راه انداز تقویت کننده کلاس AB
ترانزیستور TR3 به عنوان یک منبع جریان عمل می‌کند که جریان بایاس DC مورد نیاز عبوری از دیودها را تنظیم می‌کند. این امر ولتاژ خروجی نقطه کار را در VCC/2 تنظیم می‌کند. در حالی که سیگنال ورودی بیس TR3 را تحریک می‌کند، TR3 به عنوان یک مرحله تقویت کننده عمل کرده و بیس‌های TR1 و TR2 را تحریک می‌کند، به طوری که نیمه مثبت سیکل ورودی TR1 را راه اندازی می‌کند، در حالی که TR2 خاموش است و نیمه منفی سیکل ورودی TR2 را راه اندازی می‌کند، در حالی که TR1 خاموش است.
مانند بسیاری از مدارهای الکترونیکی، روش‌های مختلفی برای طراحی مرحله خروجی تقویت کننده توان وجود دارد، زیرا تغییرات و اصلاحات زیادی را می‌توان در یک مدار خروجی تقویت کننده اصلی ایجاد کرد.
وظیفه تقویت کننده توان این است که سطح قابل ملاحظه‌ای از توان خروجی (اعم از جریان و ولتاژ) را با بازده مناسبی به بار منتقل کند. این را می‌توان با استفاده از عملکرد ترانزیستورها در یکی از دو حالت اصلی کار، کلاس A یا کلاس B، به دست آورد.
یکی از راه‌های عملکرد تقویت کننده با سطح بازده مناسب، استفاده از مرحله خروجی متقارن کلاس B بر اساس ترانزیستورهای npn و pnp مکمل است. با سطح مناسب بایاس مستقیم، می‌توان هرگونه اعوجاج گذر از صفر (در نتیجه قطع شدن هر دو ترانزیستور در طول مدت کوتاهی از هر سیکل) را کاهش داد و همانطور که در بالا دیدیم، چنین مداری به عنوان تقویت کننده کلاس AB شناخته می‌شود.
پس با کنار هم گذاشتن همه موارد، اکنون می‌توانیم یک مدار تقویت کننده توان کلاس AB ساده طراحی کنیم که حدود 1W را در 16Ω با پاسخ فرکانسی حدود 20Hz تا 20kHz تولید می‌کند.
تقویت کننده کلاس AB
خلاصه تقویت کننده کلاس AB
در اینجا دیدیم که یک تقویت کننده کلاس AB طوری بایاس شده است که جریان خروجی در طول کمتر از یک سیکل کامل از شکل موج ورودی اما بیش از نیم سیکل جاری می‌شود. اجرای تقویت کننده کلاس AB بسیار شبیه به پیکربندی استاندارد کلاس B است، زیرا از دو ترانزیستور سوئیچینگ به عنوان بخشی از یک مرحله خروجی مکمل استفاده می‌کند، به طوری که ترانزیستورها پیش از ترکیب در بار، یک نیم سیکل مخالف از شکل موج ورودی را هدایت می‌کنند.
بنابراین با اجازه دادن به هر دو ترانزیستور سوئیچینگ برای هدایت همزمان جریان در یک بازه بسیار کوتاه، می‌توان شکل موج خروجی را در طول بازه گذر از صفر به طور قابل توجهی هموار کرد و اعوجاج گذر از صفر مربوط به طراحی تقویت کننده کلاس B را کاهش داد. پس زاویه هدایت بیش از 180° اما بسیار کمتر از 360° است.
همچنین مشاهده کردیم که پیکربندی تقویت کننده کلاس AB نسبت به تقویت کننده کلاس A بازده بیشتری دارد، اما به دلیل جریان نقطه کار کوچک مورد نیاز برای بایاس ترانزیستورها در بالای نقطه قطع، بازده آن از کلاس B کمتر است. با این حال، استفاده از بایاس نادرست می‌تواند باعث افزایش شدید اعوجاج گذر از صفر و ایجاد حالت بدتر شود.
با این وجود، تقویت کننده‌های کلاس AB به دلیل ترکیب بازده خوب و خروجی با کیفیت بالا، یکی از پرطرفدارترین طراحی‌های تقویت کننده توان صوتی هستند، زیرا دارای اعوجاج گذر از صفر کم و خطی بودن بالا مشابه طراحی تقویت کننده کلاس A هستند.
