Vahvistimet. A-luokka. AB-luokka

Transkriptio

1 Vahvistimet A-luokka A-luokan vahvistimen molemmat päätevahvistin tarnsistorit johtavat, vaikke vahvistinta käytettäisi. Vahvistinta käytettäessä jatkuva lepovirta muuttuu ja näin vältytään kytkentäsäröltä (eli ylimenosäröltä). Jatkuvan lepovirran takia vahvistin kuitenkin kuluttaa kokoajan energiaa teholla, joka vastaa noin puolta vahvistimen kokonaistehosta. Koska vahvistin ikään kuin on kokoajan päällä, sen komponentit kuluvat ja A-luokan vahvistimien käyttöikä onkin lyhyt muihin vahvistimiin verrattuna. Vahvistimen ongelmien, jatkuvan tehon kulutuksen ja siitä johtuvan lämpenemisen vaikutusta pyritään vähentämään pitämällä kanavakohtaiset kytkentätehot matalina. Kuitenkin a-luokan vahvistimien käyttö ei monesti kannata ja niitä käytetäänkin varsin vähän. A-luokan vahvistimia on yleensä lähinnä korkealuokkaisissa High End vahvistimissa ja vastaavissa erittäin korkealuokkaisissa laitteissa. AB-luokka AB-luokan vahvistin on toiminnaltaan A- ja B-luokan välistä. Erona A-luokkaan on, että tehonkulutusta on saatu vähennettyä, sillä transistorit ovat kumpikin vuorollaan hieman alle puolet syklistä sulkutilassa. Erona B-luokan vahvistimeen on, että ylimenosäröä on vähemmän. B-luokan vahvistin voidaan rakentaa kahdesta transistorista kuvan 1 mukaisesti, jolloin ulostuloon saadaan kaksipuoleinen signaali, silloin kun sisäänmenokin on kaksipuoleinen. Tällaisesta B-luokan vahvistimesta saadaan AB-luokan vahvistin siten, että biasoidaan

2 molemmat transistorit siten, että sisäänmenon ollessa lähellä nollaa kumpikin transistori johtaa vähän. Tällöin ulostulossa näkyy kummankin transistorin signaalin summa ja ylimenosäröä lähes eliminoituu. Kuva 1: B/AB-luokan vahvistin AB-luokan vahvistimen hyötysuhde jää alle 78,5%, ollen parempi kuin A-luokan vahvistin, mutta siis heikompi kuin B-luokan vahvistin. Suurin osa audiovahvistimista toimii AB-luokassa. B-luokka B-luokka koostuu kahdesta komplemetaarista transistorista (npn ja pnp) kytketty sillä tavalla, että molemmat eivät voi johtaa samaan aikaan. B-luokan vahvistimet vain vahvistavat puolet sisääntulo aallosta, mikä aiheuttaa suurta määrää vääristymän, mutta niiden tehokkuus paranee huomattavasti ja on paljon parempi

3 kuin A-luokan. B:n teoreettinen suurin tehokkuus on 78,5%. Tämä johtuu siitä, että vahvistin-elementti on kytketty kokonaan pois puolet ajasta, ja tästä johtuen ei voi hävittää tehoa.b:ttä ei ole käytetty yleensä yksinään mutta sitä käytetään kaiutimissa missä säröt ovat vähemmän tärkeitä. Kuitenkin, C-luokan on yleisesti käytetty tässä. B-luokan vahvistin on kehitetty parantamaan A- luokan alhaisen tehokkuuden takia. B- luokan etu on se, että kollektorivirta on nolla kun vahvistimen tulosignaali on nolla. B-luokan vahvistimen virrankulutus silloin, kun vahvistimeen ei tule signaalia, on pieni. Suurin osa HIFI vahvistimista onkin B luokkaa, koska kuuntelutilanteessa on käytännössä täysin mahdotonta kuulla 0.001%:n säröä. siirto-ominaisuudet B-luokalle C-luokan vahvistin C-luokan vahvistin johtaa alle 50% signaalista ja ulostulossa on melko paljon säröä. Toisaalta C-luokan vahvistimissa hyötysuhde voi olla jopa 90%. Yleisin C-luokan vahvistimen käyttösovellus on lähetin, jossa on sovitettu kantotaajuus. Tällöin säröä kontrolloidaan säädetyllä (usein LC) kuormalla. Vahvistimella on kaksi toimintatapaa: säädetty ja säätämätön. Kuvassa 1 on esitetty säätämättömän vahvistimen ulostulo suhteessa sisäänmenoon. Kuvasta nähdään, että signaalin muoto muuttuu paljon eli se säröytyy.

4 Kuva 2: Untuned class-c amplifier signal input/output Käyttämällä säädettyä kuromaa saadaan kaksi asiaa tapahtumaan. Ulostulojännite saadaan halutulle tasolle käyttämällä tasolukkoa. Toisekseen säädetty kuorma auttaa palauttamaan alkuperäisen signaalin muotoa ja näin ollen siis vähentää säröä. Lopputuloksena saadaan kohtuullinen alkuperäistä vastaava vahvistettu signaali. Säädetty kuorma (LC-piiri) resonoi tietyllä taajuudella, joka on sovitettu kantoaallon taajuuteen. Muut taajuudet suodattuvat ainakin ositaain pois. Tarkoitus on, että vahvistettavas signaali (siniaalto) kuuluu LC-piirin taajuuskaistalle, jota rajoittaa sen hyvyysluku (Q). D-luokan vahvistin D-luokan vahvistimessa on yleensä kolme osaa: 1. Analogi/Pulssi-muunnin 2. Vahvistin 3. Alipäästösuodatin (Pulssi/Analogi-muunnin) Kuva Analoginen signaali siis muokataan pulssijonoksi, sitten vahvistetaan ja lopuksi yritetään saada se samaan muotoon kuin tulosignaali mutta tietenkin vahvistettuna.

5 1. Analogi/Pulssi-muunnin Pulssileveysmodulaattori (PWM) Yksinkertaisin tapa muokata analoginen tulosignaali pulssijonoksi on operaatiovahvistinkomparattorilla: Invertoivaan tuloon syötetään vahvistettava signaali joka verrataan eiinvertoivaan tulevalla saha-aallolla. Näin muodostuu pulssijono jonka pulssisuhde (duty cycle) on verrannollinen tulosignaalin amplitudiin kuvan 2 mukaan. Pulssitiheymodulattori (PDM) Hieman monimukasempi tapa on esim. sigma-delta menetelmälla muokata signaali pulssijonoksi jolloin 1/0 jaksojen pituus on verrannollinen tulosignaalin amplitudiin kuvan 3 mukaan. On tärkeää huomioida että pulssijonon taajuus pitää olla moninkertainen verrattuna tulosignaaliin jotta saadaan mahdollisimman tarkka kuva tulosignaalista. Sigma-delta on nykyään eniten käytetty sillä vahvistinaste on yleensä liian hidas erittäin lyhyiden PWM-pulssien tulkintaan. Myös sähkömagneettiset ilmiöt ja PWM-prosessin särö puhuvat PDM:n puolesta. Kuva : PWM Kuva : PDM

6 2. Vahvistin Vahvistinasteen transistorit toimivat kytkiminä ja vahvistavat pulssijono halutulle tasolle. Jos kykimet olisivat ideaalisia olisi D-luokan hyötysuhde 100% koska se määritellään tuloja lähtösignaalin TEHOsuhteena. MOSFET-transistoreilla päästään yli 90%:n hyötysuhteen. 3. Alipäästösuodatin Ennen lähtöä pulssijono muokataan takaisin analogiseksi signaaliksi tavallisella passiivisella alipäästösuodattimella. Tehokkaammin toimii tavalliset kelat ja kondensaattorit sillä niissä energia ei mene hukkaan vaan säilyy kunnes sitä tarvitaan. Alipäästösuodattimen toiminta perustuu näiden komponenttien kyvystä vastustaa virran ja jännitteen muutosta ja aukeaa parhaiten katsomalla simulaatiota: Jos haluaa säästää rahaa voi kaiuttimen puhekela toimia suodattimena. Muut lähteet: G-luokka G-luokan vahvistimen lähtöajatus on sama kuin AB-luokan vahvistimella, mutta ajatusta on viety eteenpäin parantaakseen vahvistimen hyötysuhdetta. Oikeastaan idea on varsin yksinkertainen, eli otetaan käyttöön valmiita jännitetasoja Ulostulojännite on portainen ja vastaa aina jotakin sisäänmenojännitettä. Käytännössä tämä toteutetaan siten, että jännitehuipuille on olemassa omat transistorinsa, jotka toistavat vain niitä. Hyötysuhteessa G-luokan vahvistin peittoaa AB-luokan vahvistimen, mutta jää edelleen (lähes ideaalisesta) D-luokan vahvistimesta. Kuva 3: G-luokan vahvistin

7 H-luokka H-luokan vahvistin on kehitetty edelleen G-luokan vahvistimesta. Sen toimintaperiaate on sellainen, että signaalihuippujen toistamista varten transistoreihin kytketään käyttöjännite, joka on hieman suurempi kuin suurin ulostulojännite (yleensä vain pari volttia suurempi). Kuva 4: H-luokan vahvistin

8 Ylimenosärö Elektorinisista vahvistimista puhuttaessa ylimenosäröllä (crossover distortion) tarkoitetaan säröä, eli aallon muodon muuttumista, joka tapahtuu pääsääntöisesti silloin kun sisäänmenosignaalin arvo kulkee lähellä nollaa (esim. siniaalto). Analogiset vahvistimet, poislukien A-luokka, pyrkivät säästämään energiaa siten, että yksi tai useampi transistori on sulkutilassa jollakin sisäänmenosignaalin arvoilla, jolloin ulostuloon tulee signaalin muodon vääristymää ja kytkentäsäröä, jota kutsutaan ylimenosäröksi - crossover distortion. Kuva 5: ylimenosärö Useissa sovelluksissa ylimenosäröstä ei ole suurta haittaa tai on olemassa keinoja, joilla haittaavat osat ylimenosäröstä saadaan suodatettua tai muokattua pois esimerkiksi alipäästö- tai kaistanpäästösuodattimilla tai signaalin negatiivisella takaisinkytkennällä operaatiovahvistimen kanssa.

9 Kuva 6: vahvistimen negatiivinen takaisinkytkentä Kuluttajatasolla yleisimmin tiedossa oleva haitta säröstä ja ylimenosäröstä liittyy audion toistoon. Herkimmät korvat ja vaativimmat kuuntelijat huomaavat mahdolliset säröt helposti ja vaativat parempaa äänenvahvistusta.