Giai đoạn đầu ra của mạch khuếch đại Class AB được kết hợp những ưu điểm của mạch khuếch đại Class A và mạch khuếch đại Class B tạo ra một thiết kế bộ khuếch đại tốt hơn
Mục đích của bất kỳ bộ khuếch đại nào là tạo ra một đầu ra tuân theo các đặc tính của tín hiệu đầu vào nhưng đủ lớn để cung cấp nhu cầu của tải kết nối với nó.
Chúng ta đã thấy rằng công suất đầu ra của bộ khuếch đại là sản phẩm của điện áp và dòng điện, (P = V * I) được áp dụng cho tải, trong khi đầu vào công suất là sản phẩm của điện áp một chiều và dòng điện lấy từ nguồn điện.
Mặc dù độ khuếch đại của bộ khuếch đại Class A, (trong đó transistor đầu ra dẫn 100% thời gian), nhưng hiệu suất của việc chuyển đổi từ nguồn điện một chiều sang đầu ra điện xoay chiều nói chung là kém dưới 50%.
Tuy nhiên, nếu chúng ta sửa đổi mạch khuếch đại Class A để hoạt động ở chế độ Class B, (trong đó mỗi transistor chỉ dẫn điện trong 50% thời gian) thì dòng điện chạy trong mỗi transistor chỉ 180o của chu kỳ. Ưu điểm ở đây là hiệu suất chuyển đổi DC-AC cao hơn nhiều vào khoảng 75%, nhưng cách mắc theo Class B này dẫn đến sự biến dạng của tín hiệu đầu ra có thể không chấp nhận được.
Một cách để tạo ra một bộ khuếch đại có đầu ra hiệu suất cao của cấu hình Loại B cùng với độ méo giao điểm thấp của Loại A là tạo ra một mạch khuếch đại là sự kết hợp của hai loại trên để có mạch khuếch đại mới được gọi là mạch khuếch đại Class AB .
Giai đoạn đầu ra của mạch khuếch đại Class AB kết hợp những ưu điểm của bộ khuếch đại Class A và bộ khuếch đại Class B trong khi giảm thiểu các vấn đề về hiệu suất thấp và sự biến dạng liên quan đến chúng.
Như chúng ta đã nói ở trên, Bộ khuếch đại Class AB là sự kết hợp của Loại A và B trong đó đối với đầu ra công suất nhỏ, bộ khuếch đại hoạt động như một bộ khuếch đại loại A nhưng chuyển sang bộ khuếch đại loại B để có đầu ra dòng điện lớn hơn. Hành động này đạt được bằng cách phân cực trước hai transistor trong giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại.
Vì vậy, mỗi transistor sẽ dẫn trong khoảng thời gian từ 180 o đến 360 o tùy thuộc vào lượng đầu ra dòng điện và phân cực trước. Do đó, tầng đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động như một bộ khuếch đại Class AB.
Đầu tiên chúng ta hãy xem xét so sánh các tín hiệu đầu ra cho các lớp hoạt động của bộ khuếch đại khác nhau.
Các loại khuếch đại luôn được xác định như sau:
- Lớp A: – Transistor đầu ra đơn của bộ khuếch đại dẫn trong toàn bộ chu kỳ 360 o của chu kỳ của dạng sóng đầu vào.
- Lớp B: – Bộ khuếch đại hai transistor đầu ra chỉ dẫn trong một nửa, nghĩa là 180 o của dạng sóng đầu vào.
- Lớp AB: – Bộ khuếch đại hai transistor đầu ra dẫn ở đâu đó trong khoảng từ 180 o đến 360 o của dạng sóng đầu vào.
Đối với hoạt động của bộ khuếch đại Class A, điểm Q của transistor chuyển mạch được đặt gần tâm của đường tải đặc tuyến đầu ra của transistor và trong vùng tuyến tính. Điều này cho phép transistor dẫn trong 360 o hoàn toàn để tín hiệu đầu ra thay đổi trong toàn bộ chu kỳ của tín hiệu đầu vào.
Ưu điểm chính của Class A là tín hiệu đầu ra sẽ luôn là sự tái tạo chính xác của tín hiệu đầu vào giúp giảm méo. Tuy nhiên, nó có hiệu suất kém, bởi vì để phân cực transistor ở trung tâm của đường tải phải luôn có một dòng điện tĩnh một chiều thích hợp chạy qua transistor chuyển mạch ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào để khuếch đại.
Đối với hoạt động của bộ khuếch đại Class B, hai transistor chuyển mạch bổ sung được sử dụng với điểm Q (đó là điểm phân cực của nó) của mỗi transistor nằm tại điểm cắt của nó.
Điều này cho phép một transistor khuếch đại tín hiệu trên một nửa dạng sóng đầu vào, trong khi transistor kia khuếch đại nửa còn lại. Hai nửa khuếch đại này sau đó được kết hợp với nhau tại tải để tạo ra một chu kỳ dạng sóng đầy đủ. Cặp bổ sung NPN-PNP này còn được gọi là cấu hình push-pull hay còn gọi là đẩy kéo.
Do phân cực cắt, dòng tĩnh bằng 0 khi không có tín hiệu đầu vào, do đó không có điện năng bị tiêu tán khi các transistor ở trạng thái tĩnh, làm tăng hiệu suất tổng thể của bộ khuếch đại Class B so với Class A .
Tuy nhiên, vì bộ khuếch đại Class B được phân cực để dòng điện đầu ra chạy qua mỗi transistor chỉ trong một nửa chu kỳ đầu vào, dạng sóng đầu ra do đó không phải là bản sao chính xác của dạng sóng đầu vào vì tín hiệu đầu ra bị méo. Sự biến dạng này xảy ra ở mọi điểm giao nhau bằng không của tín hiệu đầu vào tạo ra cái thường được gọi là méo giao điểm khi hai transistor chuyển sang trạng thái “BẬT” giữa chúng.
Vấn đề méo này có thể dễ dàng khắc phục bằng cách định vị điểm phân cực của transistor ở trên điểm cắt một chút. Bằng cách phân cực transistor cao hơn một chút so với điểm cắt của nó nhưng thấp hơn nhiều so với điểm ổn định Q của bộ khuếch đại lớp A, chúng ta có thể tạo ra một mạch khuếch đại Lớp AB. Mục đích cơ bản của bộ khuếch đại Class AB là duy trì cấu hình Class B cơ bản trong khi đồng thời cải thiện độ tuyến tính của nó bằng cách phân cực mỗi transistor chuyển mạch cao hơn một chút so với ngưỡng.
Vì vậy, làm thế nào để chúng tôi làm điều này. Bộ khuếch đại Class AB có thể được tạo ra từ tầng đẩy kéo Class B bằng cách chuyển hướng cả hai transistor chuyển đổi thành dẫn điện nhẹ, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào. Sự sắp xếp phân cực nhỏ này đảm bảo rằng cả hai transistor dẫn điện đồng thời trong một phần rất nhỏ của dạng sóng đầu vào hơn 50% chu kỳ đầu vào, nhưng ít hơn 100%.
Dải chết 0,6 đến 0,7V (Bạn xem tại sao lại có giá trị 0.7V này ở đây Dạng sóng biến dạng chéo) tạo ra hiệu ứng méo giao điểm trong các bộ khuếch đại loại B được giảm đáng kể bằng cách sử dụng phân cực phù hợp. Đó là phân cực trước của các transistor có thể đạt được theo một số cách khác nhau bằng cách sử dụng phân cực điện áp đặt trước, mạng phân áp hoặc bằng cách sử dụng bố trí điốt nối tiếp.
Ở đây sự phân cực của các transistor đạt được bằng cách sử dụng một điện áp phân cực cố định thích hợp đặt trên các cực B của TR1 và TR2 . Sau đó, có một khu vực mà cả hai transistor đang dẫn và dòng điện cực C nhỏ chạy qua TR1 kết hợp với dòng điện cực C tĩnh nhỏ chạy qua TR2 và đi vào tải.
Khi tín hiệu đầu vào dương, điện áp tại cực B của TR1 làm tăng dòng điện chảy qua TR1 cung cấp dòng điện cho R L . Tuy nhiên, bởi vì hiệu điện thế giữa hai cực B là cố định và không đổi, bất kỳ sự gia tăng nào trong độ dẫn điện của TR1 sẽ làm giảm độ dẫn truyền của TR2 bằng nhau và ngược chiều trong nửa chu kỳ dương.
Kết quả là transistor TR2 tắt transistor phân cực thuận TR1 cung cấp tất cả độ lợi dòng điện cho tải. Tương tự như vậy, đối với nửa âm của điện áp đầu vào thì điều ngược lại xảy ra. Tức là TR2 tiến hành làm chìm dòng tải trong khi TR1 tắt khi tín hiệu đầu vào trở nên âm hơn.
Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng khi điện áp đầu vào, VIN bằng không, cả hai transistor đều dẫn điện nhẹ do phân cực điện áp của chúng, nhưng khi điện áp đầu vào trở nên dương hoặc âm, một trong hai transistor sẽ dẫn nhiều hơn.
Vì quá trình chuyển đổi giữa hai transistor diễn ra gần như ngay lập tức và diễn ra suôn sẻ, nên hiện tượng méo giao điểm Class B sẽ giảm đáng kể. Tuy nhiên,phân cực không chính xác có thể gây ra đột biến rõ nét khi chuyển đổi hai transistor.
Việc sử dụng điện áp phân cực cố định cho phép mỗi transistor dẫn điện trong hơn một nửa chu kỳ đầu vào, (hoạt động Lớp AB). Tuy nhiên, không thực tế lắm nếu có thêm pin trong thiết kế sân khấu đầu ra của bộ khuếch đại. Một cách rất đơn giản và dễ dàng để tạo ra hai điện áp phân cực cố định để đặt điểm Q ổn định gần điểm cắt của transistor, là sử dụng mạng phân áp điện trở.
Khi một dòng điện chạy qua một điện trở, sự sụt giảm điện áp được hình thành trên điện trở được xác định bởi định luật Ohm. Vì vậy, bằng cách đặt hai hoặc nhiều điện trở mắc nối tiếp trên một điện áp cung cấp, chúng ta có thể tạo ra một mạng phân áp tạo ra một bộ điện áp cố định ở các giá trị mà chúng ta chọn.
Mạch cơ bản tương tự như mạch phân cực điện áp ở trên ở chỗ các transistor, TR1 và TR2 dẫn trong nửa chu kỳ ngược lại của dạng sóng đầu vào. Tức là, khi VIN trong là dương, TR1 dẫn và khi VIN là âm, TR2 dẫn .
Bốn điện trở R1 đến R4 được kết nối qua điện áp cung cấp Vcc để cung cấp điện áp phân cực cần thiết. Hai điện trở R1 và R4 được chọn để đặt điểm Q ở trên điểm cắt một chút với giá trị đúng của V BE được đặt vào khoảng 0,6V sao cho điện áp giảm trên mạng điện trở đưa vào cực B của TR1 xuống khoảng 0,6V và của TR2 đến khoảng –0,6V.
Khi đó, tổng điện sụt áp trên các điện trở phân cực R2 và R3 là khoảng 1,2 vôn, thấp hơn giá trị cần thiết để bật hoàn toàn mỗi transistor. Bằng cách phân cực các transistor ngay trên điểm cắt, giá trị của dòng I CQ sẽ bằng không. Ngoài ra, vì cả hai transistor chuyển mạch được kết nối nối tiếp qua nguồn cung cấp, điện áp VCEQ giảm trên mỗi transistor sẽ xấp xỉ một nửa Vcc .
Trong khi phân cực điện trở của bộ khuếch đại Class AB hoạt động trên lý thuyết, thì dòng điện cực C của transistor rất nhạy cảm với những thay đổi trong điện áp phân cực của nó, V BE . Ngoài ra, điểm cắt của hai transistor bổ sung có thể không giống nhau, vì vậy việc tìm kiếm sự kết hợp điện trở chính xác trong mạng phân áp có thể gặp rắc rối. Một cách để khắc phục điều này là sử dụng một điện trở có thể điều chỉnh để đặt đúng điểm Q như hình.
Một điện trở có thể điều chỉnh, hoặc chiết áp có thể được sử dụng để phân cực cả hai transistor trên vùng dẫn. Sau đó, các transistor TR1 và TR2 được phân cực thông qua RB1 -VR1-RB2 để các đầu ra của chúng được cân bằng và dòng điện tĩnh không chạy vào tải.
Tín hiệu đầu vào được áp dụng qua các tụ điện C1 và C2 được chồng lên các điện áp phân cực và được áp dụng cho các cực B của cả hai transistor. Lưu ý rằng cả hai tín hiệu được áp dụng cho mỗi cực B có cùng tần số và biên độ như chúng xuất phát từ VIN .
Ưu điểm của cách sắp xếp phân cực có thể điều chỉnh này là mạch khuếch đại cơ bản không yêu cầu sử dụng các transistor bổ sung với các đặc tính điện phù hợp chặt chẽ hoặc và tỷ lệ điện trở chính xác trong mạng phân áp vì chiết áp có thể được điều chỉnh để bù.
Vì điện trở là thiết bị thụ động chuyển đổi công suất điện thành nhiệt do định mức công suất của nó, nên phân cực điện trở của bộ khuếch đại Class AB, cố định hoặc điều chỉnh, có thể rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ. Bất kỳ thay đổi nhỏ nào trong nhiệt độ hoạt động của điện trở phân cực (hoặc transistor) có thể ảnh hưởng đến giá trị của chúng, tạo ra những thay đổi không mong muốn trong dòng điện C tĩnh của mỗi transistor. Một cách để khắc phục vấn đề liên quan đến nhiệt độ này là thay thế các điện trở bằng điốt để sử dụng phân cực diode.
Mặc dù việc sử dụng điện trở phân cực có thể không giải quyết được vấn đề nhiệt độ, nhưng một cách để bù cho bất kỳ sự thay đổi nào liên quan đến nhiệt độ trong điện áp ( VBE ) là sử dụng một cặp điốt phân cực thuận bình thường trong cách sắp xếp phân cực bộ khuếch đại như được hiển thị .
Một dòng điện không đổi nhỏ chạy qua đoạn mạch nối tiếp R1-D1-D2-R2 , tạo ra sụt áp đối xứng hai bên của đầu vào. Khi không có điện áp tín hiệu đầu vào được áp dụng, điểm giữa hai điốt bằng không vôn. Khi dòng điện chạy qua có sự sụt giảm điện áp phân cực thuận khoảng 0,7V trên các điốt được áp dụng cho các điểm nối B-E của các transistor chuyển mạch.
Do đó, điện áp giảm trên các điốt, phân cực giá trị của transistor TR1 vào khoảng 0,7 vôn và giá trị của transistor TR2 vào khoảng –0,7 vôn. Do đó, hai điốt silicon cung cấp điện áp giảm không đổi khoảng 1,4 vôn giữa hai cực B phân cực chúng ở trên mức cắt.
Khi nhiệt độ của mạch tăng lên, nhiệt độ của các điốt cũng vậy khi chúng nằm cạnh các transistor. Do đó, điện áp qua tiếp giáp PN của diode làm giảm sự chuyển hướng của một số dòng điện cực B của transistor ổn định dòng điện Ic của transistor.
Nếu các đặc tính điện của điốt phù hợp chặt chẽ với đặc tính của điểm tiếp giáp BE của transistor, thì dòng điện chạy trong điốt và dòng điện trong transistor sẽ giống nhau tạo ra hiệu ứng gương dòng điện. Hiệu ứng gương dòng điện này bù đắp cho sự thay đổi của nhiệt độ tạo ra hoạt động Class AB cần thiết, do đó loại bỏ bất kỳ méo giao điểm nào.
Trong thực tế, phân cực diode dễ dàng được thực hiện trong các bộ khuếch đại mạch tích hợp hiện đại vì cả diode và transistor chuyển mạch đều được chế tạo trên cùng một chip, chẳng hạn như trong IC khuếch đại công suất âm thanh LM386. Điều này có nghĩa là cả hai đều có các đường cong đặc tuyến giống nhau trong một sự thay đổi nhiệt độ rộng, cung cấp sự ổn định nhiệt của dòng điện tĩnh.
Phân cực của tầng đầu ra bộ khuếch đại Class AB thường được điều chỉnh để phù hợp với một ứng dụng bộ khuếch đại cụ thể. Dòng điện tĩnh của bộ khuếch đại được điều chỉnh về 0 để giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng, như trong hoạt động Class B hoặc được điều chỉnh để dòng điện tĩnh rất nhỏ chạy qua để giảm thiểu méo giao điểm tạo ra hoạt động của bộ khuếch đại Class AB thực sự.
Trong các ví dụ về phân cực Class AB ở trên, tín hiệu đầu vào được ghép trực tiếp với các cực B của transistor chuyển mạch bằng cách sử dụng tụ điện. Nhưng chúng ta có thể cải thiện tầng đầu ra của bộ khuếch đại Class AB hơn một chút bằng cách bổ sung tầng điều khiển như hình dưới .
Giai đoạn điều khiển bộ khuếch đại Class AB
Transistor TR3 hoạt động như một nguồn dòng thiết lập dòng điện phân cực DC cần thiết chạy qua các điốt. Điều này đặt điện áp đầu ra tĩnh là Vcc / 2 . Khi tín hiệu đầu vào điều khiển cực B của TR3 , nó hoạt động như một tầng khuếch đại điều khiển cực B của TR1 và TR2 với nửa dương của chu kỳ đầu vào điều khiển TR1 trong khi TR2 tắt và nửa âm của chu kỳ đầu vào điều khiển TR2 trong khi TR1 là tắt, giống như trước đây.
Giống như với hầu hết các mạch điện tử, có nhiều cách khác nhau để thiết kế tầng đầu ra bộ khuếch đại công suất vì có thể thực hiện nhiều biến thể và sửa đổi đối với mạch đầu ra bộ khuếch đại cơ bản. Công việc của bộ khuếch đại công suất là cung cấp một mức công suất đầu ra đáng kể (cả dòng điện cũng như điện áp) cho tải được kết nối với mức hiệu quả hợp lý. Điều này có thể đạt được bằng cách vận hành (các) transistor ở một trong hai chế độ hoạt động cơ bản, Class A hoặc Class B.
Một cách để vận hành bộ khuếch đại với mức hiệu quả hợp lý là sử dụng tầng đầu ra Class B đối xứng dựa trên các transistor NPN và PNP bổ sung. Với mức phân cực thuận phù hợp, nó có thể làm giảm bất kỳ sự biến dạng chéo nào do hai transistor đều bị cắt trong một khoảng thời gian ngắn của mỗi chu kỳ và như chúng ta đã thấy ở trên, một mạch như vậy được gọi là mạch khuếch đại class AB
Sau đó, kết hợp tất cả lại với nhau, bây giờ chúng ta có thể thiết kế một mạch khuếch đại công suất Class AB đơn giản như hình minh họa, tạo ra khoảng 1W -16 ohms với tần số đáp ứng khoảng 20Hz đến 20kHz.
Chúng ta đã thấy ở đây rằng bộ khuếch đại Class AB được phân cực để dòng điện đầu ra chạy trong ít hơn một chu kỳ đầy đủ của dạng sóng đầu vào nhưng nhiều hơn một nửa chu kỳ. Việc triển khai các bộ khuếch đại Class AB rất giống với các cấu hình Class B tiêu chuẩn ở chỗ nó sử dụng hai transistor chuyển mạch như một phần của giai đoạn đầu ra bổ sung với mỗi transistor dẫn trên các nửa chu kỳ đối diện của dạng sóng đầu vào trước khi được kết hợp tại tải.
Do đó, bằng cách cho phép cả hai transistor chuyển mạch dẫn dòng cùng một lúc trong một khoảng thời gian rất ngắn, dạng sóng đầu ra trong khoảng thời gian giao nhau bằng 0 có thể được làm mịn đáng kể, giảm sự biến dạng chéo liên quan đến thiết kế bộ khuếch đại Class B. Khi đó góc dẫn lớn hơn 180 o nhưng nhỏ hơn nhiều so với 360 o .
Chúng ta cũng đã thấy rằng cấu hình bộ khuếch đại Class AB hiệu quả hơn so với bộ khuếch đại Class A nhưng kém hiệu quả hơn một chút so với Class B vì dòng điện tĩnh nhỏ cần thiết để phân cực các transistor ngay trên điểm cắt. Tuy nhiên, việc sử dụng phân cực không chính xác có thể gây ra các gai méo chéo tạo ra tình trạng tồi tệ hơn.
Phải nói rằng, bộ khuếch đại Class AB là một trong những thiết kế bộ khuếch đại công suất âm thanh được ưa thích nhất do sự kết hợp giữa hiệu quả hợp lý và đầu ra chất lượng cao vì chúng có độ méo phân tần thấp và độ tuyến tính cao tương tự như thiết kế bộ khuếch đại Class A.