تقویت کننده (Amplifier) کلاس B

برای بهبود بازده تقویت‌کننده کلاس A، می‌توان مدار تقویت‌کننده‌ای طراحی کرد که در طبقه خروجی آن، دو ترانزیستور وجود دارد. این مدار، «تقویت‌کننده کلاس B» یا (Class B Amplifier) است که به عنوان «تقویت‌کننده پوش-پول» (Push-Pull Amplifier)‌ نیز شناخته می‌شود.

تقویت‌کننده‌های پوش-پول، دو ترانزیستور «مکمل» یا تطبیق دارند که یکی از نوع NPN و دیگری PNP است. این دو ترانزیستور، سیگنال ورودی یکسانی دریافت می‌کنند که بزرگی آن‌ها مشابه بوده و فازشان مخالف یکدیگر است. در نتیجه، هر ترانزیستور فقط نصف یا ۱۸۰ درجه از شکل موج ورودی را تقویت می‌کند. در نهایت، این دو نصف شکل موج با هم ترکیب شده و سیگنال خروجی را می‌سازند.

زاویه هدایت این نوع تقویت‌کننده فقط 180 درجه یا 50 درصد سیگنال ورودی است. اثر پوش و پول روی نصف شکل موج توسط ترانزیستورها، منجر به مداری با نام «پوش-پول» شده که معمولاً با عنوان تقویت‌کننده کلاس B شناخته می‌شود. شکل زیر مدار این تقویت‌کننده را نشان می‌دهد.

مدار تقویت‌کننده کلاس B پوش-پول با ترانسفورماتور

شکل بالا، مدار یک تقویت‌کننده کلاس B را نشان می‌دهد که  یک ترانس ورودی متعادل با سر وسط دارد. این ترانسفورماتور، شکل موج ورودی را به دو نصف برابر تبدیل می‌کند که 180 درجه با هم اختلاف فاز دارند. ترانس متعادل خروجی نیز، برای بازترکیب دو سیگنال تقویت‌ شده تعبیه شده است. ترانزیستورهایی که برای این نوع تقویت‌کننده در نظر گرفته شده‌اند هر دو از نوع NPN بوده که امیتر آنها به هم متصل شده است.

بنابراین، وقتی جریان بار در یکی از ترانزیستورها افزایش می‌یابد، جریان در دیگری کم می‌شود و ولتاژ و جریان خروجی را به صفر کاهش می‌دهد. در نتیجه، دو نصف شکل موج روی صفر نوسان می‌کنند و با کاهش تلفات، تا دو برابر جریان نقطه کار افزایش پیدا می‌کنند. این امر موجب می‌شود بازده تقویت‌کننده تا دو برابر و به 70 درصد افزایش یابد.

با فرض اینکه هیچ سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، از هر ترانزیستور جریان کلکتور نقطه کار نرمال می‌گذرد که مقدار هر کدام با بایاس بیس تعیین می‌شود. اگر لغزانه ترانس به درستی در وسط قرار گیرد، جریان کلکتورها در جهت عکس (شرایط ایده‌آل) برقرار می‌شود و در نتیجه القای مغناطیسی در هسته ترانس وجود نخواهد داشت و اعوجاج به حداقل خواهد رسید.

اگر یک سیگنال متناوب به ورودی مدار بدهیم، این سیگنال به ترانسفورماتور T١ القا می‌شود. چون سر وسط ثانویه ترانسفورماتور T١ به سیم مشترک وصل شده است، شکل موج‌های مربوط به دو سیم‌پیچ ثانویه نسبت به سر وسط در فاز مخالف هم قرار می‌گیرند. بنابراین هنگامی که به بیس ترانزیستور TR١ نیم سیکل مثبت می‌رسد، ترانزیستور  هدایت می‌کند. در این حالت، نیم سیکل منفی به بیس ترانزیستور TR٢ می‌رسد و TR٢ را در حالت قطع قرار می‌دهد. در نیم سیکل بعدی، نیم سیکل منفی به بیس ترانزیستور TR١ وارد شده و بیس ترانزیستور TR٢ مثبت می‌شود، در نتیجه TR١ قطع شده و TR٢ هدایت می‌کند. هدایت هر ترانزیستور در بیس و کلکتور جریان را برقرار می‌کند.

در نهایت این شکل موج‌ها با هم ترکیب شده و شکل موج خروجی به ترانسفورماتور وارد شده و از طریق آن بار را تغذیه می‌کند.

از آنجایی که در تقویت‌کننده کلاس B، ترانزیستورها در نقطه گذر از صفر بایاس می‌شوند، بایاس DC وجود ندارد. هر ترانزیستور تنها زمانی هدایت می‌کند که سیگنال ورودی بزرگتر از ولتاژ بیس-امیتر باشد. بنابراین، وقتی ورودی صفر باشد، خروجی نیز صفر خواهد بود و توانی مصرف نمی‌شود. به عبارت دیگر، نقطه کار تقویت‌کننده کلاس B، در محل تقاطع محور Vce و خط بار قرار دارد.

منحنی مشخصه خروجی کلاس B

تقویت‌کننده کلاس B مزیت بزرگی نسبت به تقویت‌کننده کلاس A دارد. وقتی ترانزیستورها در حالت خاموش (یعنی بدون ورودی) قرار دارند، توانی در ترانزیستورها یا ترانسفورماتور خروجی تلف نمی‌شود. این برعکس تقویت‌کننده کلاس A است که حتی بدون وجود ورودی، بایاس بیس آن لازم است و مقدار زیادی توان به شکل گرما تلف می‌کند.

بنابراین، بازده تبدیل کلی (η)‌ تقویت‌کننده بزرگتر از معادل کلاس A‌ آن است. این مقدار به حدود 70 درصد برای انوع پوش-پول‌های مدرن می‌رسد.

تقویت‌کننده پوش-پول کلاس B بدون ترانسفورماتور

یکی از معایب اصلی تقویت‌کننده کلاس B، استفاده از ترانسفورماتورهای با سر وسط است که باعث می‌شوند مدار گرانتر شود. نوع دیگری از تقویت‌کننده کلاس B وجود دارد که «تقویت‌کننده کلاس B تقارن مکمل» (Complementary-Symmetry Class B Amplifier) نامیده می‌شود و در مدار آن، ترانسفورماتور وجود ندارد. شکل زیر مدار این نوع تقویت‌کننده را نشان می‌دهد.

تقویت‌کننده کلاس B بدون ترانسفورماتور

در مدار تقویت‌کننده کلاس B بالا، از ترانزیستورهای مکمل برای هر نیم موج استفاده می‌شود و با اینکه تقویت‌کننده‌های کلاس B بهره بالاتری نسبت به کلاس A دارند، یکی از معایب اصلی تقویت‌کننده‌های پوش-پول کلاس B پدیده‌ای به نام «اعوجاج گذر از صفر» (Crossover Distortion) است.

از آموزش‌های قبلی در مورد ترانزیستورها به یاد داریم که تقریبا 0.7 ولت (ولتاژ بیس-امیتر) برای شروع به هدایت در یک ترانزیستور دوقطبی لازم است. ترانزیستورهای خروجی یک تقویت‌کننده کلاس B، به صورت «پیش بایاس شده» روی حالت ON نیستند.

این بدین معنی است که بخشی از شکل موج خروجی که کمتر از این 0.7 ولت است، به دلیل انتقال بین دو ترانزیستور (وقتی از یک ترانزیستور به ترانزیستور دیگر سوئیچ می‌شود)، به خوبی بازتولید نمی‌شود. به عبارت دیگر، هدایت ترانزیستورها دقیقاً در نقطه گذر از صفر خاموش یا روشن نمی‌شود.

ترانزیستورهای خروجی برای هر نیم شکل موج (مثبت و منفی) یک ناحیه 0.7 ولتی دارند که در آن هدایت نمی‌کنند. در نتیجه هر دو ترانزیستور دقیقاً همزمان OFF می‌شوند.

یک روش ساده برای از بین بردن اعوجاج گذر از صفر در تقویت‌کننده کلاس B این است که دو منبع ولتاژ کوچک را به مدار اضافه کنیم تا هر دو ترانزیستور را در نقطه‌ای کمی بالاتر از نقطه برش قرار دهد. این پیکربندی، «تقویت‌کننده کلاس AB» یا (Class AB Amplifier) نامیده می‌شود. با این حال، اضافه کردن منابع ولتاژ به مدار تقویت‌کننده غیرعملی است، بنابراین از پیوندهای PN به شکل دیودهای سیلیکونی برای بایاس اضافه استفاده می‌شود.

تقویت‌کننده کلاس AB

می‌دانیم که برای شروع هدایت یک ترانزیستور دوقطبی سیلیکونی، ولتاژ بیس-امیتر باید بیشتر از 0.7 ولت باشد، بنابراین اگر دو مقاومت مقسم ولتاژ متصل به بیس ترانزیستور را با دو دیود سیلیکونی تعویض کنیم، ولتاژ بایاس ترانزیستورها برابر با افت ولتاژ مستقیم این دیودها است. این دو دیود، «دیودهای بایاس‌کننده» (Biasing Diodes) یا «دیودهای جبران‌کننده» (Compensating Diodes) نامیده می‌شوند و برای تطبیق مشخصه‌های ترانزیستورها انتخاب می‌شوند. شکل زیر، مدار تقویت‌کننده با دیودهای بایاس‌ را نشان می‌دهد.

تقویت‌کننده کلاس AB

مدار تقویت کننده کلاس AB، در واقع مصالحه‌ای بین پیکربندی‌های کلاس A و کلاس B است. دیودهای کوچک بایاس ولتاژ، سبب می‌شوند هر دو ترانزیستور، حتی زمانی که هیچ سیگنال ورودی وجود ندارد، کمی هدایت کنند. شکل موج سیگنال ورودی باعث می‌شود ترانزیستورها در ناحیه فعال خود به طور طبیعی کار کنند و در نتیجه هر گونه اعوجاج گذر از صفر موجود در تقویت‌کننده کلاس B را حذف می‌کنند.

زمانی که هیچ سیگنال ورودی وجود ندارد، یک جریان کم از کلکتور می‌گذرد که بسیار کمتر از تقویت‌کننده کلاس A است. این بدین معنی است که ترانزیستور برای بیش از نصف و کمتر از کل شکل موج “ON” است. به عبارت دیگر، بسته به ولتاژ بایاس اضافه، زاویه هدایت بین 180 تا 360 درجه یا 50 تا 100 درصد از سیگنال ورودی خواهد بود. مقدار ولتاژ بایاس بیس را می‌توان با افزایش تعداد دیودهای سری، بیشتر کرد.

تقویت‌کننده‌های کلاس B نسبت به کلاس A برای کاربردهای توان بالا مانند تقویت‌کننده‌های صوتی و سیستم‌های PA ارجحیت دارند. مشابه مدار تقویت‌کننده کلاس A، یک راه برای افزایش بهره جریان تقویت‌کننده پوش-پول، استفاده از زوج دارلینگتون به جای یک ترانزیستور خروجی در مدار است.