تقویت کننده (Amplifier) کلاس AB

توان خروجی یک تقویت‌کننده، حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان اعمالی به بار است، در حالی که توان ورودی، از ضرب جریان و ولتاژ DC کشیده شده از منبع به دست می‌آید.

اگرچه میزان تقویت‌کنندگی یک تقویت‌کننده کلاس A (که در آن، ترانزیستور خروجی برای کل سیکل شکل موج ورودی، هدایت می‌کند) می‌تواند بالا باشد، اما بازده تبدیل از منبع DC‌ به توان خروجی AC معمولاً کم‌تر از 50 درصد است. اگر مدار تقویت‌کننده کلاس A را به گونه‌ای اصلاح کنیم که در کلاس B‌ کار کند، جریان کلکتور هر ترانزیستور 180 درجه از سیکل را به خروجی هدایت خواهد کرد. مزیت این کار این است که بازده تبدیل DC به AC به 75 درصد خواهد رسید. اما پیکربندی کلاس B، در خروجی اعوجاج ایجاد می‌کند که قابل قبول نیست.

تقویت‌کننده کلاس AB، با ترکیب ویژگی‌های بازده بالای تقویت‌کننده کلاس B و اعوجاج کم تقویت‌کننده کلاس A، مدار مناسبی برای استفاده در کاربردهای مختلف است.

همان‌طور که گفتیم، تقویت‌کننده کلاس AB، ترکیبی از تقویت‌کننده‌های کلاس A و B‌ است. این تقویت‌کننده در توان‌های پایین، مانند کلاس A و در جریان‌های بالا، مانند کلاس B‌ عمل خواهد کرد. این کار، با پیش‌بایاس دو ترانزیستور در خروجی تقویت‌کننده انجام می‌شود. هر ترانزیستور، بسته به مقدار جریان خروجی و پبش‌بایاس، بین 180 تا 360 درجه از زمان هدایت خواهد کرد.

ابتدا، سیگنال‌‌های خروجی تقویت‌کننده‌های مختلف را با هم مقایسه می‌کنیم. شکل زیر میزان هدایت هریک از کلاس‌های مختلف را نشان می‌دهد.

مقایسه بین تقویت‌کننده‌های مختلف

کلاس تقویت‌کننده‌ها به صورت زیر تعریف می‌شود:

• تقویت‌کننده کلاس A: ترانزیستور خروجی این تقویت‌کننده، ۳۶۰ درجه یا کل سیکل شکل موج ورودی را هدایت می‌کند.
• تقویت‌کننده کلاس ‌B: هریک از دو ترانزیستور خروجی، نصف یا 180 درجه از کل سیکل شکل موج خروجی را به خروجی هدایت می‌کنند.
• تقویت‌کننده کلاس AB: دو ترانزیستور خروجی، بین 180 تا 360 درجه از شکل موج ورودی را هدایت می‌کنند.

تقویت‌کننده کلاس A

نقطه کار ترانزیستور سوئیچینگ در تقویت‌کننده کلاس A، نزدیک وسط خط بار مشخصه خروجی است و در ناحیه خطی قرار می‌گیرد. این امر موجب می‌شود ترانزیستور 360 درجه کامل را هدایت کند.

تقویت‌کننده کلاس A

مزیت بزرگ تقویت‌کننده کلاس A، این است که سیگنال خروجی همواره بازتولید دقیقی از سیگنال ورودی است که اعوجاج کمی دارد. هرچند، بازده این تقویت‌کننده پایین است، زیرا بایاس ترانزیستور باید در وسط خط بار قرار گیرد و همیشه یک مقدار جریان DC مناسب – حتی وقتی سیگنال ورودی وجود نداشته باشد – در ترانزیستور برقرار باشد.

تقویت‌کننده کلاس B

در تقویت‌کننده کلاس B، دو ترانزیستور مکمل وجود دارد که بایاس هر کدام روی نقطه قطع است. این موضوع سبب می‌شود هر ترانزیستور نصف شکل موج ورودی را هدایت و تقویت‌ کند. در خروجی تقویت‌کننده، این دو نیم‌موج با هم ترکیب شده و خروجی کامل را می‌سازند. این زوج ترانزیستورهای NPN-PNP به عنوان پیکربندی پوش-پول شناخته می‌شوند.

سیگنال خروجی تقویت‌کننده کلاس B، پاسخ دقیقی از سیگنال ورودی نیست و اعوجاج یافته است. این اعوجاج در لحظات گذر از صفر ورودی رخ می‌دهد و موجب اعوجاج گذر از صفر می‌شود.

تقویت‌کننده کلاس B

با تنظیم نقطه کار کمی بالاتر از نقطه قطع، می‌توان به سادگی بر این مشکل غلبه کرد. بایاس کمی بالاتر از نقطه قطع و بسیار پایین‌تر از نقطه وسط خط بار تقویت‌کننده کلاس ‌A، به تقویت‌کننده کلاس AB‌ می‌انجامد. هدف اصلی یک تقویت‌کننده کلاس AB، ارائه کارایی تقویت‌کننده کلاس B است، در حالی که همزمان خطی بودن را توسط بایاس هر ترانزیستور روی مقداری بالاتر از ترشولد بهبود دهد.

بایاس تقویت‌کننده کلاس AB

تقویت‌کننده کلاس B را می‌توان با یک پوش-پول کلاس B از طریق بایاس ترانزیستورها به منظور برقراری جریانی کم (حتی در حالت بدون ورودی) ساخت. این بایاس کوچک، تضمین می‌کند که هر دو ترانزیستور بیش از 50 درصد و کم‌تر از 100 درصد از سیکل شکل موج ورودی را هدایت کنند.

باند مرده (Dead band) که 0٫6 تا 0٫7 ولتی (افت ولتاژ دیود) است و سبب اعوجاج گذر از صفر در تقویت‌کننده کلاس B می‌شود، به وسیله بایاس مناسب، تا حد زیادی کاهش می‌یابد. پیش‌بایاس ترانزیستور را می‌توان با روش‌های مختلفی انجام داد: بایاس ولتاژ تنظیم شده، شبکه مقسم ولتاژ یا دیودهای سری.

بایاس ولتاژ تقویت‌کننده کلاس AB

در این‌جا، بایاس ترانزیستورها با اعمال یک ولتاژ بایاس ثابت مناسب به پایه بیس TR1 و TR2 انجام می‌شود. بنابراین، ناحیه‌ای وجود دارد که هر دو ترانزیستور هدایت می‌کنند و جریان کلکتور TR1 با جریان کلکتور TR2 ترکیب شده و بار را تغذیه می‌کنند.

بایاس ولتاژ تقویت‌کننده کلاس AB

وقتی سیگنال ورودی مثبت باشد، ولتاژ بیس TR1 افزایش می‌یابد و منجر به تولید خروجی مثبت خواهد شد. این خروجی برابر جریان کلکتور TR1 است که بار را تغذیه می‌کند. اگر ولتاژ بین دو بیس ثابت باشد، هرگونه افزایش در هدایت TR1‌ موجب یک کاهش معادل در هدایت TR2‌ در نیم سیکل مثبت خواهد شد.

در نتیجه، ترانزیستور TR2 خاموش شده و TR1 جریان بار را تامین می‌کند. به صورت مشابه، برای نیمه منفی ولتاژ ورودی، عکس این اتفاق رخ می‌‌دهد. وقتی ورودی منفی است، ترانزیستور TR2‌ بار را تغذیه می‌کند و TR1 خاموش می‌شود.

می‌بینیم که در ولتاژ VIN=0، هر دو ترانزیستور به دلیل بایاس ولتاژ، کمی هدایت می‌کنند. اما وقتی ولتاژ ورودی مثبت‌ یا منفی شود، یکی از دو ترانزیستور بیش‌تر جریان بار را تامین می‌کند. از آنجایی که سوئیچینگ بین دو ترانزیستور، تقریباً در یک لحظه رخ می‌دهد و نرم انجام می‌شود، اعوجاج گذر از صفر تقویت‌کننده کلاس B به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. بایاس نادرست ممکن است سبب اعوجاج گذر از صفر تیز شود.

استفاده از بایاس ولتاژ ثابت برای هر ترانزیستور از نظر عملی کار دشواری است. زیرا اضافه کردن باتری‌های اضافه به خروجی تقویت کننده، غیرعملی است. یک راه ساده برای تولید دو ولتاژ بایاس ثابت، استفاده از شبکه مقسم ولتاژ است.

بایاس مقاومتی تقویت‌کننده کلاس AB

بر اساس قانون اهم، وقتی جریان از مقاومت می‌گذرد، افت ولتاژ بین دو سر مقاومت ایجاد می‌شود. با سری کردن دو یا چند مقاومت با یکدیگر و اتصال به به یک منبع ولتاژ، می‌توان یک شبکه مقسم ولتاژ ساخت که ولتاژهای ثابت دلخواهی را تولید می‌کند.

در مدار شکل زیر، وقتی VIN مثبت است، TR1 هدایت می‌کند و وقتی منفی است، TR2 جریان را عبور می‌دهد.

بایاس مقاومتی تقویت‌کننده کلاس AB

مقاومت‌های R1 تا R4 برای تامین بایاس مقاومتی به منبع تغذیه Vcc وصل شده‌اند. مقادیر دو مقاومت R1 و R4 برای تنظیم نقطه کار، روی کمی بالاتر از نقطه قطع (حدود 0٫6 ولت) انتخاب می‌شوند. بنابراین، شبکه مقسم ولتاژ، بیس TR1‌ را روی 0٫6V و بیس TR2‌را روی 0٫6V- قرار می‌دهد.

در نتیجه، افت ولتاژ دو مقاومت R2 و R3 تقریباً 1٫2V است که کم‌تر از مقداری است که برای on کردن دو ترانزیستور لازم است. با بایاس ترانزیستورها در بالاتر از نقطه قطع، جریان کلکتور نقطه کار (ICQ) باید صفر شود. همچنین، از آن‌جایی که هر دو ترانزیستور سری هستند و به منبع تغذیه متصل‌اند، افت ولتاژ هر ترانزیستور (VCEQ) تقریباً نصف Vcc است.

هرچند بایاس مقاومتی تقویت‌کننده کلاس AB در محاسبات تئوری به خوبی عمل می‌کند، جریان کلکتور ترانزیستور، نسبت به ولتاژ بایاس بیس VBE بسیار حساس است. همچنین، نقطه قطع دو ترانزیستور مکمل ممکن است یکسان نباشد، بنابراین، انتخاب ترکیب مناسب مقاومت‌ها در شبکه مقسم ولتاژ ممکن است با مشکل مواجه شود. یک راه برای غلبه بر این مشکل، استفاده از مقاومت قابل تنظیم یا متغیر برای تنظیم نقطه کار است.

بایاس قابل تنظیم تقویت‌کننده

می‌توان از یک مقاومت متغیر یا پتانسیومتر برای بایاس ترانزیستورهای تقویت‌کننده استفاده کرد. ترانزیستورهای TR1 و TR2 با RB1−VR1−RB2 بایاس می‌شوند و خروجی‌ مدار، جریان متعادلی را به بار تحویل می‌دهد.

بایاس قابل تنظیم تقویت‌کننده کلاس AB

سیگنال ورودی از طریق دو خازن C1 و C2‌ روی ولتاژهای بایاس سوار و به بیس وارد می‌شود. دقت کنید که سیگنال ورودی به بیس هر دو ترانزیستور، از نظر دامنه و فرکانس مشابه است، زیرا هر دو از VIN می‌آیند.

از آن‌جایی که مقاومت‌ها قطعات غیرفعال یا پسیوی هستند که توان را به شکل گرما هدر می‌دهند، بایاس مقاومتی تقویت‌کننده کلاس AB، چه ثابت و چه متغیر، نسبت به تغییرات دما بسیار حساس است. هر تغییر کوچک در دمای کاری مقاومت‌های بایاس (یا ترانزیستورها)‌، ممکن است موجب تغییرات نامطلوبی در جریان کلکتور ساکن شود. یک راه برای غلبه بر این مشکل، جایگزین کردن مقاومت‌ها با دیود است.

بایاس دیودی تقویت‌کننده کلاس AB

استفاده از دو دیود معمولی، راه‌کار جایگزین مناسبی برای مقابله با حساسیت بایاس مقاومتی به دمای کاری مدار است.

جریان ثابت مدار سری R1-D1-R2-D2 سبب ایجاد افت ولتاژ خواهد شد که برای هر ورودی متقارن است. اگر سیگنال ورودی اعمال نشود، ولتاژ نقطه اتصال بین دو دیود صفر است. اگر جریان برقرار شود، ولتاژ بایاس مستقیم 0٫7V روی دیودها می‌افتد که به پیوندهای بیس-امیتر ترانزیستورها اعمال می‌شود.

بایاس دیودی تقویت‌کننده کلاس AB

بنابراین، افت ولتاژ دیودها، بیس ترازیستور TR1 را 0٫7 ولت و بیس ترانزیستور TR2‌ را 0٫7- ولت بایاس می‌کند. دو دیود، افت ولتاژی حدود 1٫4 ولت بین دو بایاس بیس و بالاتر از نقطه قطع فراهم می‌کنند.

اگر مشخصه الکتریکی دیودها بسیار شبیه به پیوند بیس-امیتر ترانزیستورها باشد، جریان دیودها و ترانزیستورها یکسان خواهد بود که این حالت «آیینه جریان» نام دارد. این آیینه جریان، تغییرات دما را جبران می‌کند و عملکرد مناسب تقویت‌کننده کلاس AB را با حذف هرگونه اعوجاج گذر از صفر فراهم می‌کند.

امروزه، در عمل، بایاس دیودی تقویت‌کننده‌ها و نیز ترانزیستورها، در در تراشه‌های مدار مجتمع یا ICها تعبیه می‌شود. برای مثال، IC مدل LM386 یک تقویت‌کننده توان صوتی محبوب است.

در روش‌های بایاسی که بیان شد، سیگنال ورودی از طریق خازن‌های کوپلاژ به ترانزیستورها وارد می‌شود. با افزودن یک طبقه راه‌انداز امیتر-مشترک به طبقه خروجی می‌توان عملکرد تقویت‌کننده کلاس AB را بهبود داد.

طبقه راه‌انداز تقویت‌کننده کلاس AB

شکل زیر، تقویت‌کننده کلاس AB را همراه با مدار راه‌انداز نشان می‌دهد.

طبقه راه‌انداز تقویت‌کننده کلاس AB

ترانزیستور TR3 به عنوان یک منبع جریان عمل می‌کند که جریان بایاس DC‌ دیودها را تنظیم می‌کند. این ترانزیستور، ولتاژ خروجی را روی مقدار Vcc/2 تنظیم می‌کند. از آن‌جایی که سیگنال ورودی به بیس TR3‌ وارد می‌شود، به عنوان تقویت‌کننده‌ای عمل می‌کند که ترانزیستورهای TR1 و TR2 را راه‌‌اندازی می‌کند؛ به گونه‌ای که برای نیم سیکل‌های مثبت TR1 را وصل و برای نیم‌سیکل‌های منفی TR2‌ را وصل می‌کند.

مانند اغلب مدارهای الکترونیکی، راه‌های مختلفی برای طراحی طبقه خروجی یک تقویت‌کننده توان وجود دارد. وظیفه تقویت‌کننده توان، تحویل یک سطح مناسب از توان خروجی (جریان و ولتاژ) به بار است که بازدهی مناسبی نیز داشته باشد.

یک راه برای عملکرد تقویت‌کننده با سطح قابل قبولی از بازدهی، استفاده از کلاس متقارن با ترانزیستورهای مکمل NPN و PNP است. با سطح بایاس مستقیم مناسب، می‌توان اعوجاج گذر از صفر را کاهش داد.

ترکیب همه این ویژگی‌ها، منجر به مدار تقویت‌کننده کلاس AB‌ می‌شود که در شکل زیر نشان داده شده است.

تقویت‌کننده کلاس AB

جمع‌بندی

دیدیم که تقویت‌کننده کلاس AB به گونه‌ای بایاس می‌شود که جریان خروجی هر ترانزیستور برای بیش‌تر از نصف و کم‌تر از کل شکل موج برقرار باشد. پیاده‌سازی تقویت‌کننده کلاس AB شبیه تقویت‌کننده کلاس B است. در این تقویت‌کننده، دو ترانزیستور مکمل در خروجی وجود دارد که هر کدام نیم سیکل از ورودی را به خروجی هدایت می‌کنند.

با هدایت همزمان دو ترانزیستور در یک لحظه کوتاه، شکل موج خروجی در نقطه گذر از صفر، نرم خواهد شد و در نتیجه اعوجاج گذر از صفری که در تقویت‌کننده کلاس B وجود داشت، از بین خواهد رفت. زاویه هدایت تقویت‌کننده کلاس AB بین 180 تا 360 درجه است.

همچنین دیدیم که بازده تقویت‌کننده کلاس AB بیش‌تر از کلاس A و کمی کم‌تر از کلاس B‌ است، زیرا به یک جریان کوچک برای بایاس ترانزیستور روی مقداری بالاتر از نقطه قطع نیاز دارد. هرچند، بایاس اشتباه می‌تواند اعوجاج ایجاد کند.

بنا بر آنچه گفته شد، تقویت‌کننده‌های کلاس AB یکی پرکاربردترین تقویت‌کننده های توان صوتی هستند، زیرا بازده مناسب و خروجی باکیفیتی دارند.