Crossover-Verzerrung
Überschneidungsverzerrung ist ein gemeinsames Merkmal von Verstärkern der Klasse B, bei denen die Nichtlinearitäten der beiden Schalttransistoren nicht linear mit dem Eingangssignal variieren
Wir haben gesehen, dass einer der Hauptnachteile der Class-A-Verstärker-Konfiguration der niedrige Wirkungsgrad ist, der daher rührt, dass er um seinen zentralen Q-Punkt herum vorgespannt ist.
Aber wir wissen auch, dass wir den Verstärker verbessern und seinen Wirkungsgrad fast verdoppeln können, indem wir einfach die Endstufe des Verstärkers auf eine Gegentakt-Konfiguration der Klasse-B umstellen. Die meisten modernen Class-B-Verstärker sind jedoch transformatorlose oder komplementäre Typen mit zwei Transistoren in der Endstufe.
Dies führt zu einem grundsätzlichen Problem bei Gegentakt-Verstärkern, da die beiden Transistoren aufgrund ihrer einzigartigen Zero-Cut-Off-Vorspannung nicht vollständig am Ausgang der beiden Wellenformhälften zusammenwirken. Da dieses Problem auftritt, wenn das Signal am Nullspannungspunkt von einem Transistor zum anderen wechselt oder „übergeht“, erzeugt es eine gewisse „Verzerrung“ der Ausgangswellenform. Dies führt zu einem Zustand, der allgemein als Crossover Verzerrung bezeichnet wird.
Crossover-Verzerrung erzeugt einen „Abflachung“ oder „Totzone“ auf der Ausgangswellenform, wenn sie von einer Hälfte der Wellenform in die andere übergeht. Der Grund dafür ist, dass die Übergangszeit, wo die Transistoren von einem zum anderen umschalten, nicht genau am Nulldurchgangspunkt stoppt oder beginnt und somit eine kleine Verzögerung zwischen dem ersten Transistor, der „AUS“ und dem zweiten Transistor, der „EIN“ schaltet, verursacht. Diese Verzögerung führt dazu, dass beide Transistoren gleichzeitig „AUS“ geschaltet werden und eine Ausgangswellenform erzeugen, wie unten gezeigt.
Crossover-Verzerrungswellenform
Damit es keine Verzerrung der Ausgangswellenform gibt, müssen wir davon ausgehen, dass jeder Transistor zu leiten beginnt, wenn seine Basis-zu-Emitter-Spannung knapp über Null steigt, aber wir wissen, dass dies nicht stimmt, da bei bipolaren Silizium-Transistoren die Basisspannung mindestens 0,7 V erreichen muss, bevor der Transistor zu leiten anfängt, wodurch diese Abflachung erzeugt wird. Der Crossover-Verzerrungseffekt reduziert auch den Spitzenwert der Ausgangswellenform, wodurch die maximale Ausgangsleistung wie unten gezeigt reduziert wird.
Nichtlineare Übertragungseigenschaften
Dieser Effekt ist bei großen Eingangssignalen weniger ausgeprägt, da die Eingangsspannung in der Regel recht groß ist, bei kleineren Eingangssignalen kann er jedoch stärker sein und Verzerrungen im Verstärker hervorrufen.
Vorspannung des Ausgangs
Das Problem der Crossover-Verzerrung kann erheblich reduziert werden, indem man eine leichte Vorwärts-Basisvorspannung (wie im Transistor-Tutorial zu sehen) an die Basen der beiden Transistoren über die Mittenanzapfung des Eingangstransformators anlegt, so dass die Transistoren nicht mehr am Nullpunkt vorgespannt sind, sondern auf einem durch diese neue Vorspannung bestimmten Niveau „vorbelastet“ werden.
Diese Art der Vorspannung bewirkt, dass ein Transistor genau zur gleichen Zeit wie der andere Transistor „EIN“ schaltet, da beide Transistoren nun leicht über ihrem ursprünglichen Cut-Off-Punkt vorgespannt sind. Um die Transistoren „EIN“ zu schalten, muss die Vorspannung jedoch mindestens doppelt so hoch sein wie die normale Basisspannung. Diese Vorspannung kann auch in transformatorlosen Verstärkern mit komplementären Transistoren realisiert werden, indem die beiden Potentialteilerwiderstände einfach durch Vorspannungsdioden ersetzt werden, wie unten gezeigt.
Vorspannung mit Dioden
Diese Vorspannung für einen Transformator oder eine transformatorlose Verstärkerschaltung hat den Effekt, dass der Q-Punkt des Verstärkers über den ursprünglichen Cut-Off-Punkt hinaus verschoben wird, so dass jeder Transistor in seinem aktiven Bereich für etwas mehr als die Hälfte oder 180o jedes Halbzyklus arbeiten kann. Mit anderen Worten: 180o + Bias. Die am Basisanschluss des Transistors anliegende Diodenvorspannung kann durch Hinzufügen zusätzlicher Dioden in Reihe um ein Vielfaches erhöht werden. Dadurch entsteht eine Verstärkerschaltung, die gemeinhin als Class-AB-Verstärker bezeichnet wird und deren Vorspannungsanordnung unten angegeben ist.
Klasse AB Ausgangscharakteristik
Zusammenfassung Crossover-Verzerrung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei Verstärkern der Klasse B Crossover-Verzerrung auftritt, weil der Verstärker an seinem Cut-Off-Punkt vorgespannt ist. Dies führt dazu, dass beide Transistoren zum gleichen Zeitpunkt „AUS“ geschaltet werden, wenn die Wellenform die Nullachse kreuzt. Durch Anlegen einer kleinen Basisvorspannung, entweder durch Verwendung einer resistiven Potentialteilerschaltung oder Diodenvorspannung, kann diese Crossover-Verzerrung stark reduziert oder sogar vollständig eliminiert werden, indem die Transistoren auf den Punkt des Einschaltens gebracht werden.
Das Anlegen einer Vorspannung erzeugt eine andere Art oder Klasse von Verstärkerschaltungen, die gemeinhin als Class AB-Verstärker bezeichnet werden. Dann liegt der Unterschied zwischen einem reinen Class-B-Verstärker und einem verbesserten Class-AB-Verstärker in der Vorspannung der Ausgangstransistoren. Ein großer Vorteil des Einsatzes von Dioden gegenüber Widerständen ist, dass ihre PN-Anschlüsse Temperaturschwankungen der Transistoren ausgleichen.
Daher können wir richtigerweise sagen, dass der Verstärker der Klasse AB effektiv ein Verstärker der Klasse B mit hinzugefügter „Bias“ ist, und wir können dies wie folgt zusammenfassen:
- Keine Crossover-Verzerrung, da sie in der Mitte der Lastleitung vorgespannt sind.
- Große Crossover-Verzerrung wegen Vorspannung am Cut-off Punkt.
- Einige Crossover-Verzerrungen, wenn der Vorspannungspegel zu niedrig eingestellt ist.
Neben den drei oben genannten Verstärkerklassen gibt es eine Reihe von hocheffizienten Verstärkerklassen, die unterschiedliche Schalttechniken zur Reduzierung der Verlustleistung und zur Steigerung des Wirkungsgrades verwenden. Einige dieser Verstärker verwenden RLC-Resonatoren oder mehrere Netzteilspannungen, um Leistungsverluste und Verzerrungen zu reduzieren.