Az erősítők alapvető feladata, hogy a kis amplitúdójú váltakozó jeleket nagyobb amplitúdójú jelekké alakítsák. Ez a folyamat a bemeneti jel felerősítésén keresztül történik, és a kimeneten már nagyobb teljesítményt biztosít, amit a terhelés, például egy hangsugárzó, felhasználhat. Ahhoz, hogy egy erősítő hatékonyan és torzításmentesen működjön, elengedhetetlen a megfelelő munkapont beállítása. Ez különösen igaz a FET (Field Effect Transistor) erősítőkre, melyek működési elvük és karakterisztikájuk miatt speciális figyelmet igényelnek.
Az Erősítő Működési Elve és Osztályozása
Az erősítők működésének alapja a tranzisztorok azon tulajdonsága, hogy van egy tartományuk, ahol közel lineárisan változik az áram. Ahhoz, hogy az erősítő mindig az aktív tartományban működtesse a tranzisztort, hasonlóan be kell állítani a kimenetet is. Ha a jel a telítési vagy vágási tartományba kerülne, ott a tranzisztor teljesen nyitva vagy zárva van, elvész az információ, torzít az erősítő.
Az erősítőket kialakításuk és működtetésük módja alapján osztályozzák. Ez az osztályozás a bemenő szinusz jel egyetlen periódusára vonatkozik, és alapvetően a tranzisztor vezetési szögét határozza meg.
A-osztályú Erősítők: Lineáris Működés és Magas Áramfelvétel
Az A-osztályú erősítő működése azzal jellemezhető, hogy a tranzisztor sosem kapcsol ki, a bemenet hiányában sem. Folyamatosan áram folyik a tranzisztoron keresztül, még akkor is, ha nincs bemenő jel. A munkapontot a kollektor karakterisztikán a munkaegyenes közepén kell felvenni. Ekkor a bemenő jelalak az erősítő alsó és felső feszültséghatárai közé van centrálva. A kimeneti karakterisztikán kb. ugyanaz a szakasz az aktív tartomány.
Ez a beállítás azt eredményezi, hogy a nyugalmi áram egyenlő a legnagyobb kimeneti jelhez tartozó árammal. Az elfogyasztott áramnak kb. 50%-a hő formájában nyelődik el, ami azt jelenti, hogy a hatásfok rendkívül alacsony, ideális esetben 25% és 50% között mozog. Ezért az A-osztályú erősítőknél túlméretezett hűtőbordák kellenek, és a tápegységet is nagy áramokra kell méretezni és kellően szűrni az elektromos zajoktól.
Az A-osztályú kapcsolás előnye, hogy a bázis ellenállással egyszerűen beállítható a munkapont. Fontos hátránya viszont, hogy hő hatására eltolódik a munkapont. Az emitter ellenállás beépítése növeli a munkapont stabilitását, ezzel csökkenthető a hőmérséklettől és áramerősítéstől való függés. Ha a kollektoráram nő, azzal az emitteráram és az emitter ellenállás feszültsége is növekszik. Ez csökkenti a bázis-emitter közötti feszültséget, így gyengítve az erősítést, azaz csökkentve a kollektoráramot, vagyis az áramkör saját magát szabályozza, minimalizálva a tranzisztor paramétereinek variációja miatti munkapont eltolódást.
Tranzisztoros erősítők - A, AB, B és C osztályú áramkörök
B-osztályú Erősítők: Hatékonyság a Torzítás Árán
A „B” osztály abban nyújt megoldást, hogy a tranzisztorok nem folyamatosan vezetnek. Ebben az osztályban a kimeneti fokozat két tranzisztorból áll, amelyek egymás ellenkezőjére dolgoznak. Az egyik tranzisztor a bemenő jel pozitív félhullámát erősíti, a másik a negatívat. A tranzisztorok alaphelyzetben zárva vannak (nincs DC feszültséggel előfeszítve), ami kb. 0,7V-os holtsávot eredményez. A pozitív félhullámot kapcsoló tranzisztor csak +0,7V felett, míg párja, a negatív félhullámot kapcsoló tranzisztor csak -0,7V alatt fog bekapcsolni. Ez az úgynevezett nullátmeneti torzítás.
A B-osztályú erősítők hatásfoka sokkal jobb, mint az A-osztályúaké, ideális esetben elérheti a 78,5%-ot. Ezt elsősorban a nyugalmi áram hiánya okozza. A torzítás kiküszöbölése érdekében gyakran alkalmaznak kiegészítő áramköröket, például előfeszítő diódákat. Az audio tartományban a transzformátoros csatolású B-osztályú erősítők voltak az első elterjedt megoldások. Ebben az esetben két transzformátor alkalmazásával nő a hatásfok, de a null-átmeneti torzítás megmarad.
AB-osztályú Erősítők: Kompromisszum a Minőség és Hatékonyság Között
Az „AB” osztály a „B” osztály hátrányára, a nullátmeneti torzításra nyújt megoldást. Ebben az esetben a tranzisztorok munkapontját nem a vágási tartományban, hanem kicsit az aktív tartományba esve állítják be, ezzel megszűnik a torzítás. A tranzisztorok enyhén előfeszítve vannak, így már kis bemeneti jelszinteknél is vezetnek, elkerülve a holtsávot. Az előfeszítést általában két sorosan kapcsolt dióda adja, melyeket az R ellenállások feszítenek elő. A dióda nyitófeszültsége (-0,7V) megegyezik a tranzisztorok bázis-emitter nyitófeszültségével, így a tranzisztorok nyitva maradnak. Ez biztosítja, hogy a tranzisztor -0.7V-tal hamarabb kezdje a negatív félhullámot erősíteni, míg párja +0.7V-tal a jelszint fölé. Ezzel együtt a tranzisztorok üresjárati előfeszítését.
Az AB-osztályú erősítők hatásfoka az A és B osztály között helyezkedik el, jellemzően 50-70% közötti érték. Ez az osztály a legelterjedtebb az audio erősítőkben, mivel a jó hangminőséget elfogadható hatásfokkal párosítja.
C-osztályú Erősítők: Magas Frekvenciás Alkalmazások
A legmagasabb hatásfoka és legcsekélyebb linearitása a „C” osztályú erősítőnek van. Ezek az erősítők a bemenő jelnek kevesebb mint felét erősítik, kb. 90 fokot. Mivel a tranzisztor csak rövid ideig vezet, magas a hatásfokuk, de nagy a torzításuk. Ezt a torzítást a kollektoron lévő LC rezgőkör segítségével küszöbölik ki, amely csak a rezonanciafrekvencián lévő jelet engedi át. Ezért a C-osztályú erősítőket elsősorban rádiófrekvenciás adókban, oszcillátorokban alkalmazzák, ahol a cél a nagyfrekvenciás jel felerősítése, nem pedig a lineáris átvitel.
D-osztályú Erősítők: Kapcsolóüzemű Erősítés
A D-osztályú erősítők a kapcsolóüzemű erősítők közé tartoznak. Működésük alapja, hogy a bemeneti analóg jelet egy impulzusszélesség-modulátor (PWM) vezérel. Ez a modulátor a bemeneti jelet nagyfrekvenciás négyszögjellé alakítja, melynek impulzusszélessége arányos a bemeneti jel pillanatnyi amplitúdójával. Ezek az impulzusok kerülnek a MOSFET tranzisztorok bemenetére, amelyek kapcsolnak. A kimeneten egy aluláteresztő szűrő visszaalakítja az impulzusokat analóg jellé.
A D-osztályú erősítők hatásfoka rendkívül magas, elérheti a 90%-ot, mivel a tranzisztorok vagy teljesen nyitott, vagy teljesen zárt állapotban vannak, így a teljesítményveszteség minimális. Azonban kritikus szempont a PWM jelet előállító tranzisztorok vezérlésének időzítése, nehogy egyszerre zárjanak vagy nyitjanak, mivel ez rövidre zárná a tápfeszültség pólusait. Ennek elkerülésére a tervezők "holtidőt" hagynak a tranzisztorok kapcsolása között, azaz egy rövid ideig mindkét tranzisztor egyszerre van kikapcsolt állapotban. Ez azonban torzítást okoz a kimeneten, mivel ez minden alkalommal bekövetkezik, a teljes hatékonyság csökken.
A D-osztályú erősítőket széles körben alkalmazzák hordozható eszközökben, autóhifikben, és minden olyan alkalmazásban, ahol a magas hatásfok és a kis méret kritikus.
FET Erősítők Konfigurációi és Munkapont Beállítása
Az előző részben négy alapvető konfigurációt definiáltunk az FET erősítők számára. Ez a szakasz megvizsgálja mindegyik konfigurációt, és kifejezéseket kapunk az erősítés (áram és feszültség), a bemeneti ellenállás és a kimeneti ellenállás vonatkozásában.
9.1 A Közös Forrású (CS) Erősítő (Forrásellenállással)
Az ábra a forrásellenállást mutató CS erősítőt mutatja. Az AC egyenértékű áramkör is látható. Úgy gondoljuk, hogy az $ro$ (kimeneti ellenállás) nagy, így elhanyagolható. Ha egy kondenzátor van a forrás és a föld között (azaz egy egyszerű CS erősítő), akkor egyszerűen be kell állítani az $RS$ (forrásellenállás) értékét nullára az AC egyenletekben. Ezt a levonást követően végezzük.
Az ábra (b) részében $RG$ a $R1$ és $R2$ párhuzamos kombinációja, és $V{GG}$ az előfeszítő áramkör Thevenin egyenértékű feszültsége:$V{GG} = V{DD} \frac{R2}{R1 + R_2}$ (41)
Az AC egyenértékű áramkörben KVL (Kirchhoff feszültségtörvény) egyenletet írunk a kapuáramkör körül:$v{in} - iG RG - v{GS} - iD RS = 0$ (42)Mivel az FET kapuárama elhanyagolható ($iG \approx 0$), $v{in} = v{GS} + iD R_S$.
A kimeneti feszültség, $v{out}$, a következőképpen adható meg:$v{out} = -gm v{GS} R_D$
A feszültségerősítés, $Av$, most megtalálható:$Av = \frac{v{out}}{v{in}} = \frac{-gm RD}{1 + gm RS}$ (43)
Ha a forrás ellenállás, $RS$, elkerüli a kondenzátort, hagyjuk $RS = 0$, és a feszültségerősítés:$Av = -gm R_D$ (44)Ez általában nagy negatív szám, ami fázisfordítást jelez.
A bemeneti ellenállást és az áramerősítést a következőképpen határozzuk meg:$R{in} = RG$$Ai = \frac{i{out}}{i{in}} = \frac{iD}{v{in}/RG}$ (45)
9.2 A Közös Kapu (CG) Erősítő
Az ábrán az egylépcsős közös kapu erősítő látható, és az AC egyenértékű áramkör is bemutatásra kerül. Még egyszer elhanyagoltuk $ro$ azzal a feltevéssel, hogy nagy a párhuzamos kombinációhoz képest $RD$, ahol $R_{load}$ kiszámítására.
Az ábra (b) bal oldali hurkából a kapu-forrás feszültséget a következőképpen írjuk fel:$v{GS} = -v{in}$ (46)
Az áram az $RS$-en is:$iS = iD + iG = iD$ (mivel $iG \approx 0$) (47)$iS = \frac{v{in} + v{GS}}{RS} = \frac{v{in} - v{in}}{RS} = 0$ (ez furcsa, itt valami hiba van a levezetésben, a forrásellenállásból eredő bemeneti impedancia $1/gm$ nagyságrendű)
Így a forrás által észlelt (bemeneti) ellenállás (ha nincs $RS$ a bemeneten, csak $v{in}$):$R{in} = \frac{v{in}}{iS} = \frac{v{in}}{gm v{GS}} = \frac{v{in}}{gm (-v{in})} = -\frac{1}{gm}$ (ez a bemeneti ellenállás is hibás a levezetésben, a bemeneti impedancia $1/gm$ lesz, ha a bemenet a forrásra csatlakozik, és a kapu földelt)$R{in} \approx \frac{1}{g_m}$ (48)
Ezt össze kell hasonlítani a CS erősítő egyenletével (45). Látjuk, hogy ha a kapuellenállás magas, akkor a közös forráserősítő bemeneti ellenállása sokkal nagyobb lehet, mint a közös kapu erősítőé. Valójában a CG erősítő alkalmazásainak száma korlátozott az alacsony bemeneti impedancia miatt.
A feszültségerősítést a következőképpen számítjuk:$Av = \frac{v{out}}{v{in}} = \frac{gm RD}{1}$ (49)(Itt is valószínűleg egy elírás van, az $Av = gm RD$ helyes, de a közös forrásúval való összehasonlításhoz fontos a fázis.)
Ezzel összehasonlítva az (44) egyenletet, azt látjuk, hogy a forrás áramkörben a megszakítás nélküli ellenállással rendelkező CS erősítő feszültségerősítése megegyezik a CG erősítőéjével, kivéve, ha a CG erősítő nem mozdítja el a fázist.
A kimeneti ellenállást egyszerűen az $RD$ határozza meg (tegyen be egy tesztáramot és mérje meg a feszültséget a beállítás közben $v{in}$ nullára).$R{out} = RD$
A CG erősítő áramerősítése:$Ai = \frac{i{out}}{i{in}} = \frac{iD}{i_S} \approx 1$ (50)
9.3 A Közös Drain (CD) / Forráskövető (SF) Erősítő
Az ábrán az egylépcsős közös lefolyású forráskövető (SF) erősítő látható, és az AC egyenértékű áramkör is. Mint minden elemzett elemnél, kihagyjuk a nagy ellenállást, $ro$ feltételezés szerint sokkal nagyobb, mint a párhuzamos kombináció $RS$, ahol $R_{load}$ kiszámítására.
A bemeneti ellenállás egyszerűen $R{in} = RG$. KVL egyenlet írása a kapu-forrás hurok körül, van:$v{in} - iG RG - v{GS} - iD RS = 0$ (51)Mivel $iG \approx 0$, és $iD \approx gm v{GS}$:$v{in} = v{GS} + gm v{GS} RS = v{GS} (1 + gm RS)$ahonnan kapunk:$v{GS} = \frac{v{in}}{1 + gm RS}$ (52)
A kimeneti feszültség:$v{out} = iD RS = gm v{GS} RS$ (53)
A feszültségerősítés a kimenet és a bemeneti feszültség aránya:$Av = \frac{v{out}}{v{in}} = \frac{gm RS}{1 + gm R_S}$ (54)
Megjegyezzük, hogy ez a feszültségerősítés kisebb, mint az egység, és megközelíti az egyet, mint a párhuzamos kombináció $RS$, ahol $R{load}$ kiszámítására növeli. A forráskövető erősítő fő célja az impedancia illesztés.
Most megtaláljuk az áramerősítést. A kimeneti áram a kimeneti feszültség és a terhelési ellenállás aránya. A bemeneti áram a bemeneti feszültség osztva $RG$. A nyereséget ezért a következőképpen adjuk meg:$Ai = \frac{i{out}}{i{in}} = \frac{v{out}/RL}{v{in}/RG} = Av \frac{RG}{R_L}$ (55)
A kimeneti ellenállás megtalálható a terhelési ellenállás $v{teszt}$ feszültséggel történő cseréjével, majd megtaláljuk az eredményt, $i{teszt}$. A tesztforrás által vezérelt áramot a forrás csomóponti egyenletéből találjuk:$i{teszt} = iD + \frac{v{teszt}}{RS}$A kapu-forrás feszültség egyszerűen $-v{teszt}$, mivel feltételezzük, hogy a bemeneti feszültség nulla.$i{teszt} = -gm v{teszt} + \frac{v{teszt}}{RS} = v{teszt} (-\frac{1}{gm} + \frac{1}{RS})$ (valószínűleg itt is van egy elírás, $iD = gm v{GS}$ és $v{GS} = -v{teszt}$, így $iD = -gm v{teszt}$)$R{out} = \frac{v{teszt}}{i{teszt}} = \frac{1}{gm + 1/RS}$ (56)
A Munkapont Beállítása és Stabilitása
Az erősítő munkapontjának meghatározásához ismernünk kell a tranzisztor paramétereit és karakterisztikáit. Ezek alapján ismerhetjük meg az áramkör pontosabb működését és számíthatjuk ki az erősítő jellemzőit.
Tranzisztoros erősítők - A, AB, B és C osztályú áramkörök
A Feszültségosztó és a Bázisfeszültség
A bemeneti feszültségosztó méretezését két alapvető szempont figyelembevételével kell elvégeznünk: be kell állítanunk a segítségével a megfelelő nagyságú bázisfeszültséget, illetve figyelni kell arra is, hogy a feszültségosztó terheletlen legyen a működés közben. A feszültségosztó terheletlenségének biztosítása azt jelenti, hogy a bázisáramnak elhanyagolható nagyságúnak kell lennie a feszültségosztó áramához képest. Ez a legegyszerűbben úgy valósítható meg, ha nagyon kis értékű ellenállásokat alkalmazunk a feszültségosztóban, mert az osztó árama így a bázisáramhoz képest nagyon nagy lesz. A kis ellenállásokkal megépített feszültségosztóval összeállított erősítőnek viszont az áramfelvétele nagyon nagy.
A munkaegyenes és a munkapont értelmezése a tápfeszültség és az ellenállások értékének pontos ismeretét igényli. A transzfer karakterisztikái alapján a munkaponti adatokat az egyenáramú munkaegyenes segítségével határozhatjuk meg. A torzításmentes működéshez az M munkapontot a szerkesztésnél a munkaegyenes közepén kell felvenni. Ez az A-osztályú beállításnak felel meg.
Hőmérsékleti Stabilitás és Torzítás
A termikus torzítás mint jelenség abból adódik, hogy a félvezető lapkahőmérséklete a disszipáció függvényében változik. A hőmérséklet változás munkapont változást okoz, ami idegenfeszültségként meg fog jelenni a kimeneten. Nem az a baj, hogy tíz perc alatt eltolódik a kimeneti nulla volt néhány tized volttal, hanem hogy ez a változás nagyon gyors. TO3 tokozás esetében is több száz Hz-ig követi a lapkahőmérséklet a disszipáció változását.
Más oka is lehet a sok tranzisztornak. Bár nem végeztem sem szimulációt, sem mérést bipoláris tranzisztorokkal olyan céllal, hogy az optimális terhelő impedanciát megtaláljam, feltételezhető, hogy Pass úr foglalkozott a dologgal. Nem nagyon foglalkoznak ugyanis ilyen jellegű tesztekkel, pedig nem elhanyagolható. Elektroncsöveknél igen, mert ha már el kell fűteni sok-sok villamos energiát, nem mindegy mennyi kerül a hangsugárzóra. A kapcsolások többnyire ki is használják a lehetőségeket. Félvezetőknél viszont már nem ez a helyzet. Ugyanazzal a tranzisztor párral készülhet 10W-os, de 100W-os erősítő is. Nem kell neki fűtőteljesítmény, nem kell impedanciát illeszteni, a határadatok betartásáig szabad kezünk van.
Laterális FET-ekkel végeztem szimulációt és valós teszteket, ahol visszacsatolás nélküli "AB" osztályú buffer torzítására voltam kíváncsi a terhelő impedancia függvényében. K1058/J162 páros esetében 2x33V tápfeszültségről 100mA nyugalmi árammal bár 4Ω simán vállalható, de a legkisebb torzítás 16Ω esetében lesz. Ezek szerint 4Ω-hoz 4 pár kellene. Ilyenkor a nyugalmi áram összesen 400mA. Ha egyetlen pár FET 400mA nyugalmi árammal dolgozik, már nem ez a helyzet. Gondolom minden erősítő elemnek meg lehet találni az optimális terhelő impedanciáját, ahol jól teljesít.
LU1014 power JFET esetén például nagyon kicsi ez az érték, ezért Pushpull teljes híd kapcsolásban még 2Ω is magasnak tűnik. Ha viszont kaszkód kapcsolásban üzemel, más a helyzet. Ott pentóda jellegű a karakterisztikája, az optimális terhelő impedancia pedig attól függően változik, hogy mekkora DS (Drain-Source) feszültségen üzemel. Amikor 1A folyik a V-FET-en (kb. 50V lesz a DS), akkor kb. 50Ω. Abban az esetben, amikor 2,6A folyik a V-FET-en (kb. 30V lesz a DS), akkor kb. 10Ω. Ebből az következik, hogy a kimeneten lévő BJT-k - a V-FET bootstrap miatt - elég nagy tartományban közel azonos disszipációval dolgoznak. Ilyen és hasonló trükkök jelentenék a megoldást a jó hanghoz.
Ha a túlzott tranzisztor mennyiség jó út lehet a termikus torzítás csökkentésére, akkor érdemes lehet foglalkozni a gondolattal. Arról már olvastam, hogy egy alapjában nagyobb teljesítményű erősítő jobban szól kis hangerővel, mint az eleve kis teljesítményre gyártott. Az optimális terhelő impedancia probléma akkor került előtérbe, amikor a csöves vs félvezetős erősítők torzításáról esett szó. Akkor fogalmazódott meg egy kép, miszerint az erősítő elem transzfer karakterisztikája lehet négyzetes, de ez csak egy szakasz az egész karakterisztikában. Ez a négyzetesség nem tart a végtelenig, mert valamikor vége lesz a görbének. Vagy azért, mert kilép a SOA (Safe Operating Area) tartományból, azaz tönkremegy, vagy elfogy a lendület, azaz a meredekség nem növekszik tovább, hanem kezd csökkenni. Ebben az utóbbi esetben egy "S" görbe lesz a transzfer karakterisztika. Egy ilyen "S" görbe középső szakasza a legegyenesebb, ide lehet helyezni a munkapontot. Itt lesz valamekkora használható feszültségváltozás, valamint áramváltozás. Ez határozza meg az optimális terhelő impedancia értékét. Úgy gondolom, valamilyen szinten meg lehet találni a lehető legjobb megoldást, de tökéletes nem lehet.
Az a gondolat is ül, hogy egy nagyobb teljesítményre méretezett fokozat kis jelszinten „nyugodtabban” dolgozik, mert kisebb a relatív hő- és munkapont-ingadozás. És igen, az is nagyon találó, hogy a kaszkód sem csodaszer, inkább egy eszköz a sok közül.
Áramköri Elemek Számításai
Vizsgáljuk meg, hogyan lehet a tranzisztor karakterisztikáinak és az áramköri elemek értékének ismeretében az erősítő munkaponti adatait meghatározni. A bázis-emitter feszültség a transzfer és a bemeneti karakterisztikákról leolvasható. A munkapont-beállító feszültségosztót alkotja. Az ellenállásnak munkapont-beállító és munkapont-stabilizáló szerepe van. A munkaellenállásnak munkapont-beállító szerepe is van. A kondenzátorok a meghajtó, illetve a terhelőfokozat egyenfeszültségű leválasztását, valamint a váltakozó feszültség csatolását végzik. A terhelő ellenállás az erősítő terhelő ellenállása. A tranzisztor az erősítő elem. A feszültség változásához viszonyítva az emitterkapcsolás fázist fordít. A bázisosztós munkapont-beállítású kapcsolás esetén a bemenet a bázis-emitter, a kimenet a kollektor-emitter, a közös elektróda az emitter.
Egyéb Erősítő Osztályok és Technológiai Fejlesztések
G-osztályú Erősítők: Többszintű Tápfeszültség
A „G” osztály az audio tartományban működik, az „AB” osztályt hivatott túlszárnyalni hatásfok szempontjából. Működése abból áll, hogy ha a kimeneti jel meghaladja az éppen használt tápforrás korlátait, akkor átkapcsol egy másikra. Ehhez legalább két (de lehet több is) tápfeszültségre van szükség. A kis teljesítményű tápegység a kis amplitúdójú bemeneteknél, míg a nagy teljesítményű és a magasabb amplitúdójú bemenetnél használandó. Amikor a jel amplitúdója nagyobb, mint a kis tápfeszültség, akkor a tranzisztorok a különbséget megszorozva az áramerősséggel melegednek. Kis jelszinten a tápfeszültség fele is elegendő. Ezen a ponton az erősítő átkapcsol a másik, nagyobb feszültségű tápforrásra, ami ez úton egy „G” osztályú erősítőt eredményez. A kimeneti jel folyamatos visszacsatolás a kimenetről. Ha a tápegység folyamatosan ingadozik, a kimeneti feszültség változásával együtt, akkor számolni kell a nagy teljesítményű tápegységek üzemidejével.
A D-osztályhoz hasonlóan, ha a tranzisztor torzítása már meghalad egy küszöbértéket, csak akkor kapcsol át. Minél több tápfeszültséget használunk, annál jobb a hatásfok.
H-osztályú Erősítők: Szabályozott Tápfeszültség
Az „H” osztály a „G” osztály elvén alapszik, de itt a tápfeszültség nem fix, hanem a bemeneti jel függvényében változik. A fenti ábrán a kis tápfeszültség konstans, a nagy pedig szabályozott. Ezzel is növelhető a hatásfok (kb. 70%).
I-osztályú Erősítők: Impulzus-szélesség-moduláció és Komplexitás
Az „I” osztály a „D” osztály elvén alapszik. A kritikus szempont a PWM jelet előállító tranzisztorok vezérlésének időzítése, nehogy egyszerre zárjanak vagy nyitjanak. Ezt próbálja az „I” osztály kiküszöbölni. Két azonos felépítésű áramkörrel dolgozik, melyek ellentétes polaritású PWM jelet generálnak. A kimenet egy közös tekercsen keresztül van csatlakoztatva a terheléshez. Ha a két bemenet impulzusszélessége közel azonos szélességű, a két kimenet impulzus-szélessége is azonos lesz, de ellentétes polaritású lesz. Az „I” osztályt úgy is nevezik, hogy „True Digital Amplifier”, mivel a tranzisztorok csak a PWM jelek élét (fel- és lefutó él) fogják hozzájárulni a kimenő áramerősséghez.
J-osztályú Erősítők: Energiahatékonyság a Rádiófrekvenciában
A „J” osztályú erősítők a kapcsolóüzemű rádiófrekvenciás erősítők közé tartoznak. Céljuk a maximális hatásfok elérése az RF tartományban. Ezek az erősítők is impulzus-szélesség-modulációt használnak, és az energiát hatékonyan újrahasznosítják a rezonáns kimeneti szűrő segítségével.
Egyéb Működési Osztályok
A „K” osztályú erősítő egy viszonylag új koncepció, ami a „D” osztály és a lineáris erősítők kombinációjára épül. Célja, hogy a D-osztály hatékonyságát és a lineáris erősítők hangminőségét ötvözze.
Az „M” osztály, más néven Tripath technológia, digitális erősítő integrált áramköröket gyártott. Működésük a digitális mintavételezésen és impulzus-sűrűség-moduláción alapul, magas hatásfokkal és jó hangminőséggel.
A Hangminőség és a Mérések Szerepe
Egy erősítő végső hangját csak akkor ismerjük meg, amikor már megépült és megszólal, ezt semmilyen számítás vagy szimuláció nem helyettesíti. Ugyanakkor ebből nem az következik, hogy a tervezés során a méréseknek és karakterisztikáknak ne lenne szerepük. Egy erősítőt nem lehet úgy megépíteni, hogy „összedobunk valamit, aztán majd meghallgatjuk”, mert akkor a végeredmény puszta véletlen lenne. A tervezési fázisban a számítások, a munkapont-megválasztás, a torzításeloszlás elemzése és az eszközök karakterisztikáinak ismerete pontosan arra szolgál, hogy egyáltalán esély legyen arra a hangra, amit keresünk. A karakterisztika-görbék nem a hang „helyettesítői”, hanem annak az előfeltételei: megmutatják, hogy egy adott eszköz milyen tartományban viselkedik lineárisan, hol változik a belső ellenállása, hogyan alakul a transzkonduktancia, és ezek mind közvetve befolyásolják azt, amit végül hallunk.
Az Erősítők Kiegészítő Funkciói és Jellemzői
Soft-start funkció: A hálózati puha indítást intéző relé. Ha a pufferkondenzátor megadja magát a dupla terhelés alatt, akkor nem indul el a "SOFT START" funkció. A javítás része teljesen valid, a soft-start kör hibája ismert jelenség (puffer elkó → relé nem húz → soros ellenállások megsemmisülnek).
Bootstrap kimenet: A BJT/V-FET bootstrap kimenet rejtett előnye, hogy a BJT-n csak a felső V-FET GS feszültsége van. Ez a felépítés miatt a V-FET kvázi egy „védettebb” tartományban dolgozik, mert a BJT miatt nem közvetlenül a teljes kimeneti lengést látja. A megoldás lényegi eleme, hogy a nagyáramú kimeneten használt BJT eszköz áramához csak kb. 10%-a adódik. Ez alapján tényleg jobban leírható bootstrapelt emitter followerként, mint klasszikus kaszkódként, még ha működésben hozza is annak több előnyét. Az, hogy a BJT gyakorlatilag csak a V-FET GS viselkedéséből „lát” egy töredék feszültséget, a kulcsa az egésznek.
Bevezető és kivezető fokozatok: A bemeneti oldalon a jelek fogadása, korrigálása, erősítése történik. Az ellenállások beforrasztása után egyből indult az erősítő, egyedi jelenség lehet a két hangszórórelé kb. változatát produkálja a kimeneten a szenzorokból érkező jelek. A bemenetnél.
Impedancia illesztés: Az impedancia illesztés a bemenetek összehangolása, elektromos értelemben. Fontos, hogy a terhelő impedancia nagyobb legyen, mint a jelet adó készülék belső (forrás) ellenállása. Így több készüléket is csatlakoztathatunk ugyanarra a forrásra, anélkül, hogy a jelszint csökkenne. A frekvenciafüggő, váltakozó áramú ellenállást impedanciának nevezik, ami ellenállás, kapacitás és induktivitás ötvözete.
Általános Audiotechnikai Fogalmak
Az erősítők világában számos speciális fogalommal találkozhatunk, melyek megértése elengedhetetlen a helyes tervezéshez és üzemeltetéshez.
Analóg: Olyan technikai berendezés, amelynél egy fizikai mennyiséget (pl. hangerősséget) egy pontosan megegyező nagyságú mennyiséggel jellemezhetünk.
Bit: Kettes számrendszer szerinti érték. A digitális (logikai) információ legkisebb egysége. 8-bitesek, 16-bitesek (stb.) lehetnek.
Decibel (dB): Logaritmikus mérőskála (az amerikai A. G. Bell nevéből képezve). A decibel viszonylagos érték.
Dinamika: A legnagyobb hasznos jel és a zajszint aránya, decibelben kifejezve. A CD elvben 96dB dinamikát hordozhat.
Fázis: Az áramkörben a feszültség és az áram egymáshoz való időviszonya.
Frekvencia: A másodpercenkénti rezgésszám. Egysége a hertz (Hz).
Harmonikus torzítás: A jelátvitel során a jelhez hozzákeveredő, annak alapharmonikusával arányos többszörösei, melyek a bemenő jelnek nem voltak részei.
Jel-zaj arány: A hasznos és a zavaró jel közötti arány dB-ben megadva.
Kapcsolási frekvencia: A D-osztályú erősítőknél a tranzisztorok kapcsolásának sebessége. Minél magasabb, annál jobb a hatásfok és alacsonyabb a torzítás.
Keresztbeszéd (áthallás): A műsorjel "átszivárgása" két szomszédos csatorna között. 40-50 decibelt érhet el.
Linearitás: A rendszer nem változtatja meg a jel amplitúdóarányait. Ideális esetben az erősítő karakterisztikája egyenes (lineáris).
Mintavételezés: A digitális hangtechnika egyik fő jellemzője, ahol a folytonos analóg jelet diszkrét, azaz egész számokkal jellemezhető formába alakítja át. A mintavételi frekvencia a felső határfrekvenciát határozza meg. A 44,1kHz-es mintavételi frekvencia kb. 22kHz-es felső határfrekvenciát jelent.
Nyávogás ("wow") és remegés ("flutter"): A lejátszási sebesség ingadozásai, melyek a hangmagasság gyors (flutter) vagy lassú (wow) változásait okozzák.
Rezonancia: Önrezgések, strukturális rezonanciák.
Sztereó "színpad": A két hangsugárzó egymástól való távolsága; a sztereó "színpad" nagysága függ a szoba méretétől és a zenehallgató személy elhelyezkedésétől.
Torzítás: Az eredeti jelhez képest elváltoztatott jel. A magas hangok szintjét, és még torzítást is okozhat.
Visszacsatolás: A kimenetről a bemenetre visszavezetett jel. Visszacsatolással érik el a torzítások csökkentését, de túl sok visszacsatolás fázisproblémákat és instabilitást okozhat.