Audio Verstärker der Klasse AB

 

 

Die Verstärkerstufe der Klasse AB kombiniert die Vorteile des Verstärkers der Klasse A und des Verstärkers der Klasse B zu einem besseren Verstärkerdesign Der Zweck eines jeden Verstärkers ist es, einen Output zu erzeugen, der der Charakteristik des Eingangssignals folgt, aber ausreichend groß ist, um den Bedarf der angeschlossenen Last zu decken. Wir haben gesehen, dass die Ausgangsleistung eines Verstärkers das Produkt aus Spannung und Strom (P = V*I) an der Last ist, während die Eingangsleistung das Produkt aus der Gleichspannung und dem Strom aus dem Netzteil ist.

Obwohl die Verstärkung eines Klasse-A-Verstärkers (bei dem der Ausgangstransistor 100% der Zeit leitet) hoch sein kann, ist der Wirkungsgrad der Umwandlung von der Gleichstromversorgung in eine AC-Leistung mit weniger als 50% im Allgemeinen schlecht. Wenn wir jedoch die Klasse-A-Verstärkerschaltung so modifizieren, dass sie im Klasse-B-Modus arbeitet (wobei jeder Transistor nur 50% der Zeit leitet), fließt der Kollektorstrom in jedem Transistor nur für 180^o des Zyklus. Der Vorteil dabei ist, dass der DC-zu-AC-Wandlungswirkungsgrad mit ca. 75% wesentlich höher ist, aber diese Klasse B-Konfiguration führt zu einer Verzerrung des Ausgangssignals, die nicht annehmbar sein kann.

Gleichzeitig den hohen Wirkungsgrad der Klasse B-Konfiguration und die geringen Verzerrung der Klasse A-Konfiguration erzeugt eine Verstärkerschaltung, die eine Kombination der beiden vorhergehenden Klassen ist, was zu einer neuen Art von Verstärkerschaltung führt, die als Klasse-AB-Verstärker bezeichnet wird. Dann kombiniert die Klasse-AB Endstufe die Vorteile des Klasse A Verstärkers und des Klasse B Verstärkers bei gleichzeitiger Minimierung der damit verbundenen Probleme mit niedrigem Wirkungsgrad und Verzerrungen.

Wie bereits erwähnt, ist der Klasse-AB-Verstärker eine Kombination aus den Klassen A und B, da er bei kleinen Leistungen als Class-A-Verstärker arbeitet, bei größeren Strom-Outputs jedoch in einen Class-B-Verstärker übergeht. Diese Aktion wird durch Vorspannung der beiden Transistoren in der Endstufe des Verstärkers erreicht. Dann leitet jeder Transistor zwischen 180^o und 360^o der Zeit, abhängig von der Höhe des Ausgangsstroms und der Vorspannung. Damit arbeitet die Verstärkerendstufe als Klasse-AB-Verstärker. Betrachten wir zunächst einen Vergleich der Ausgangssignale für die verschiedenen Verstärkerklassen.

 

Vergleich der verschiedenen Verstärkerklassen

 

 

Die Verstärkerklassen werden wie folgt definiert:

• Der Einzelausgangstransistor des Verstärkers leitet den gesamten 360^o Zyklus der Eingangswellenform
• Die zwei Ausgangstransistoren des Verstärkers leiten je nur während einer Hälfte, also 180^o der Eingangswellenform
• Die zwei Ausgangstransistoren des Verstärkers leiten irgendwo zwischen 180^o und 360^o der Eingangswellenform

 

Klasse A Verstärkerbetrieb

 

 

Bei Klasse-A-Betrieb liegt der Q-Punkt des Schalttransistors ungefähr in der Mitte der Ausgangskennlinie des Transistors und im linearen Bereich. Dies ermöglicht es dem Transistor, die gesamte 360^o zu leiten, so dass das Ausgangssignal über den gesamten Zyklus des Eingangssignals variiert. Der Hauptvorteil der Klasse A besteht darin, dass das Ausgangssignal immer eine exakte Wiedergabe des Eingangssignals ist, was Verzerrungen reduziert. Allerdings leidet Klasse A unter einem schlechten Wirkungsgrad, da um den Transistors in der Mitte der Lastleitung vorzuspannen immer ein geeigneter Ruhestrom durch den Schalttransistor fließen muss, auch wenn kein Eingangssignal zu verstärken ist.

 

Klasse B Verstärkerbetrieb

 

 

Für den Betrieb der Klasse B werden zwei komplementäre Schalttransistoren verwendet, wobei der Q-Punkt (d.h. der Vorspannungspunkt) jedes Transistors an seinem Abschaltpunkt liegt. Dadurch kann ein Transistor das Signal über die eine Hälfte der Eingangswellenform verstärken, während der andere Transistor die andere Hälfte verstärkt. Diese beiden verstärkten Hälften werden dann an der Last miteinander kombiniert, um einen vollständigen Wellenformzyklus zu erzeugen. Dieses NPN-PNP-Komplementärpaar wird auch als Push-Pull-Konfiguration bezeichnet. Aufgrund der Abschaltvorspannung ist der Ruhestrom Null, wenn kein Eingangssignal anliegt, daher wird im Ruhezustand der Transistoren keine Leistung abgeführt oder verschwendet, was den Gesamtwirkungsgrad eines Klasse-B-Verstärkers gegenüber der Klasse A erhöht.

Da der Klasse-B-Verstärker jedoch so vorgespannt ist, dass der Ausgangsstrom nur für die Hälfte des Eingangszyklus durch jeden Transistor fließt, ist die Ausgangswellenform keine exakte Kopie der Eingangswellenform, da das Ausgangssignal verzerrt ist. Diese Verzerrung tritt bei jedem Nulldurchgang des Eingangssignals auf und erzeugt eine so genannte Crossover-Verzerrung, da die beiden Transistoren sich gegenseitig „EIN“ schalten.

Dieses Verzerrungsproblem kann leicht überwunden werden, indem der Vorspannungspunkt des Transistors leicht über dem Cut-Off liegt. Durch Vorspannung des Transistors etwas oberhalb seines Cut-Off-Punktes, aber weit unterhalb des mittleren Q-Punktes des Class-A-Verstärkers, können wir eine Class-AB-Verstärkerschaltung aufbauen. Der grundlegende Zweck eines Klasse-AB-Verstärkers besteht dann darin, die Basiskonfiguration der Klasse B beizubehalten und gleichzeitig seine Linearität zu verbessern, indem jeder Schalttransistor etwas über dem Schwellwert vorgespannt wird.

 

Vorspannung eines Klasse AB Verstärkers

Also, wie machen wir das? Ein Klasse-AB-Verstärker kann aus einer Standard-Gegentaktstufe der Klasse B hergestellt werden, indem beide Schalttransistoren leicht leitend vorgespannt werden, auch wenn kein Eingangssignal anliegt. Diese kleine Vorspannung sorgt dafür, dass beide Transistoren während eines sehr kleinen Teils der Eingangswellenform gleichzeitig mehr als 50 Prozent des Eingangszyklus, aber weniger als 100 Prozent leiten. Das 0,6 bis 0,7V (Vorwärtsdioden-Voltabfall) Totband, das den Crossover-Verzerrungseffekt in Class-B-Verstärkern erzeugt, wird durch geeignete Vorspannung stark reduziert. Die Vorspannung der Transistorbauelemente kann auf verschiedene Weise über eine voreingestellte Vorspannung, ein Spannungsteilernetz oder über eine in Reihe geschaltete Anordnung von Dioden erreicht werden.

 

 

Hier wird die Vorspannung der Transistoren durch eine geeignete feste Vorspannung an den Basen von TR1 und TR2 erreicht. Dann gibt es einen Bereich, in dem beide Transistoren leitend sind und der kleine Ruhestrom des Kollektors, der durch TR1 fließt, sich mit dem kleinen Ruhestrom des Kollektors, der durch TR2 in die Last fließt, verbindet. Wenn das Eingangssignal positiv wird, steigt die Spannung an der Basis von TR1 und erzeugt einen positiven Ausgang in ähnlicher Höhe, der den durch TR1 fließenden Kollektorstrom zur Last R_L erhöht. Da die Spannung zwischen den beiden Basen jedoch fest und konstant ist, führt jede Erhöhung der Leitfähigkeit von TR1 zu einer gleichmäßigen und entgegengesetzten Abnahme der Leitfähigkeit von TR2 während des positiven Halbzyklus.

Dies hat zur Folge, dass der Transistor TR2 schließlich abschaltet und der vorgespannten Transistor TR1 die gesamte Stromverstärkung an die Last liefert. Bei der negativen Hälfte der Eingangsspannung tritt das Gegenteil ein. Das bedeutet, dass TR2 den Laststrom absenkt, während TR1 abschaltet, wenn das Eingangssignal negativer wird. Wir sehen also, dass, wenn die Eingangsspannung, V_IN Null ist, beide Transistoren aufgrund ihrer Vorspannung leicht leitend sind, aber wenn die Eingangsspannung positiver oder negativer wird, leitet einer der beiden Transistoren den Laststrom mehr. Da die Umschaltung zwischen den beiden Transistoren fast sofort und gleichmäßig erfolgt, wird die Crossover-Verzerrung, die sich in der Klasse B-Konfiguration auswirkt, stark reduziert. Eine falsche Vorspannung kann jedoch beim Umschalten der beiden Transistoren zu scharfen Übergangsverzerrungen führen.

Die Verwendung einer festen Vorspannung ermöglicht es jedem Transistor, mehr als die Hälfte des Eingangszyklus zu leiten (Klasse-AB Betrieb). Es ist jedoch nicht sehr praktisch, zusätzliche Batterien in der Endstufe des Verstärkers zu haben. Eine sehr einfache und leichte Möglichkeit, zwei feste Vorspannungen zu erzeugen, um einen stabilen Q-Punkt in der Nähe der Transistorabschaltung einzustellen, ist die Verwendung eines resistiven Spannungsteilernetzes.

 

Klasse AB Verstärker Vorspannung durch Widerstand

 

 

Wenn ein Strom durch einen Widerstand fließt, entsteht ein Spannungsabfall über dem Widerstand, wie er durch das Ohmsche Gesetz definiert ist. Indem wir also zwei oder mehr Widerstände in Reihe über eine Versorgungsspannung legen, können wir ein Spannungsteilernetz erzeugen, das eine Reihe von festen Spannungen zu den von uns gewählten Werten erzeugt. Die Grundschaltung ähnelt der obigen Vorspannungsschaltung, in dem die Transistoren TR1 und TR2 während der entgegengesetzten Halbzyklen der Eingangswellenform leiten. Das heißt, wenn V_IN positiv ist, leitet TR1 und wenn V_IN negativ ist, leitet TR2.

Die vier Widerstände R1 bis R4 werden über die Versorgungsspannung Vcc angeschlossen, um die erforderliche ohmsche Vorspannung bereitzustellen. Die beiden Widerstände R1 und R4 werden so gewählt, dass der Q-Punkt leicht über dem Grenzwert liegt, wobei der korrekte Wert von V_BE auf etwa 0,6V eingestellt wird, so dass der Spannungsabfall über das Widerstandsnetzwerk die Basis von TR1 auf etwa 0,6V und die von TR2 auf etwa -0,6V bringt. Der gesamte Spannungsabfall an den Vorspannwiderständen R2 und R3 beträgt dann ca. 1,2 Volt und liegt damit knapp unter dem Wert, der zum Einschalten jedes Transistors erforderlich ist. Durch Vorspannung der Transistoren knapp über dem Cut-Off sollte der Wert des Ruhestromes, I_CQ, Null sein. Da beide Schalttransistoren effektiv in Reihe geschaltet sind, beträgt der V_CEQ-Voltabfall an jedem Transistor etwa die Hälfte von Vcc. Obwohl die ohmsche Vorspannung eines Klasse-AB-Verstärkers theoretisch funktioniert, ist der Transistorkollektorstrom sehr empfindlich gegenüber Änderungen seiner Basisvorspannung V_BE. Außerdem ist der Cut-Off-Punkt der beiden komplementären Transistoren möglicherweise nicht derselbe, so dass es schwierig sein kann, die richtige Widerstandskombination innerhalb des Spannungsteilernetzes zu finden. Eine Möglichkeit, dies zu lösen, ist die Verwendung eines einstellbaren Widerstandes, um den korrekten Q-Punkt wie gezeigt einzustellen.

 

Einstellbare Verstärkervorspannung

 

 

Ein einstellbarer Widerstand oder Potentiometer kann verwendet werden, um beide Transistoren bis an die Grenze zur Leitung vorzuspannen. Dann werden die Transistoren TR1 und TR2 über R_B1-VR1-R_B2 vorgespannt, so dass ihre Ausgänge symmetrisch sind und kein Ruhestrom in die Last fließt. Das über die Kondensatoren C1 und C2 anliegende Eingangssignal wird den Vorspannungen überlagert und an die Basen der beiden Transistoren angelegt. Beachten Sie, dass beide Signale, die an jede Basis angelegt werden, die gleiche Frequenz und Amplitude haben, weil sie von V_IN stammen.

Der Vorteil dieser einstellbaren Vorspannungsanordnung besteht darin, dass die Basisverstärkerschaltung keine komplementären Transistoren mit eng angepassten elektrischen Eigenschaften oder einem exakten Widerstandsverhältnis innerhalb des Spannungsteilernetzes benötigt, da das Potentiometer zur Kompensation eingestellt werden kann. Da es sich bei Widerständen um passive Bauelemente handelt, die aufgrund ihrer Leistung elektrische Leistung in Wärme umwandeln, kann die ohmsche Vorspannung eines Verstärkers der Klasse AB, entweder fest oder einstellbar, sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren. Jede kleine Änderung der Betriebstemperatur der Vorspannwiderstände (oder Transistoren) kann deren Wert beeinflussen und zu unerwünschten Änderungen des Ruhestromes der einzelnen Transistoren führen. Eine Möglichkeit, dieses temperaturbedingte Problem zu lösen, besteht darin, die Widerstände durch Dioden zu ersetzen, d.h. die Diodenvorspannung zu nutzen.

 

Klasse AB Verstärker Diodenvorspannung

 

 

Während die Verwendung von Vorspannungswiderständen das Temperaturproblem nicht lösen kann, besteht eine Möglichkeit zur Kompensation von temperaturbedingten Schwankungen der Basis-Emitter-Spannung (V_BE) darin, ein Paar normaler, vorwärts gerichteter Dioden innerhalb der Vorspannungsanordnung des Verstärkers wie gezeigt zu verwenden. Ein kleiner, konstanter Strom fließt durch die Reihenschaltung von R1-D1-D2-R2 und erzeugt Spannungsabfälle, die auf beiden Seiten des Eingangs symmetrisch sind. Wenn keine Eingangsspannung anliegt, ist der Punkt zwischen den beiden Dioden Null Volt. Während der Strom durch die Kette fließt, kommt es zu einem Vorspannungsabfall von ca. 0,7V über die Dioden, der an die Basis-Emitter-Anschlüsse der Schalttransistoren angelegt wird.

Der Spannungsabfall an den Dioden verzerrt die Basis des Transistors TR1 auf etwa 0,7 Volt und die Basis des Transistors TR2 auf etwa -0,7 Volt. So sorgen die beiden Siliziumdioden für einen konstanten Spannungsabfall von ca. 1,4 Volt zwischen den beiden Basen, die sie über dem Cut-off vorspannen. Mit steigender Temperatur der Schaltung steigt auch die Temperatur der Dioden, die sich neben den Transistoren befinden. Die Spannung am PN-Übergang der Diode nimmt also ab und leitet einen Teil des Basisstroms der Transistoren ab, wodurch der Kollektorstrom der Transistoren stabilisiert wird.

Wenn die elektrischen Eigenschaften der Dioden eng an die des Transistor-Basis-Emitter-Übergangs angepasst sind, ist der in den Dioden fließende Strom und der in den Transistoren fließende Strom gleich, wodurch ein sogenannter Stromspiegel entsteht. Der Effekt dieses Stromspiegels gleicht Temperaturschwankungen aus, wodurch der erforderliche Klasse-AB-Betrieb erreicht wird und jegliche Frequenzweichenverzerrung vermieden wird. In der Praxis ist die Diodenvorspannung in modernen integrierten Schaltkreisverstärkern problemlos möglich, da sowohl die Diode als auch der Schalttransistor auf dem gleichen Chip hergestellt werden, wie im beliebten LM386-Audio-Leistungsverstärker-IC. Das bedeutet, dass beide über einen weiten Temperaturwechsel identische Kennlinien aufweisen, die den Ruhestrom thermisch stabilisieren.

Die Vorspannung einer Verstärkerendstufe der Klasse AB wird in der Regel an die jeweilige Verstärkeranwendung angepasst. Der Ruhestrom des Verstärkers wird auf Null eingestellt, um den Stromverbrauch zu minimieren, wie im Klasse-B-Betrieb, oder auf einen sehr kleinen Ruhestrom, der die Frequenzweichenverzerrung minimiert und einen echten Klasse-AB-Verstärkerbetrieb erzeugt. In den obigen Klasse-AB-Vorspannungsbeispielen wird das Eingangssignal über Kondensatoren direkt an die Schalttransistorbasen gekoppelt. Aber wir können die Endstufe eines Class-AB-Verstärkers noch ein wenig verbessern, indem wir eine einfache Common-Emitter-Treiberstufe hinzufügen, wie gezeigt.

 

Klasse-AB-Verstärker-Treiberstufe

 

 

Der Transistor TR3 dient als Stromquelle, die den erforderlichen DC-Vorspannstrom durch die Dioden einstellt. Hiermit wird die Ruhespannung als Vcc/2 eingestellt. Da das Eingangssignal die Basis von TR3 ansteuert, wirkt es wie eine Verstärkerstufe, die die Basis von TR1 und TR2 ansteuert, wobei die positive Hälfte des Eingangszyklus TR1 ansteuert, während TR2 ausgeschaltet ist, und die negative Hälfte des Eingangszyklus TR2 ansteuert, während TR1 ausgeschaltet ist.

Wie bei den meisten elektronischen Schaltungen gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, eine Endstufe zu entwerfen, da viele Variationen und Modifikationen an einer einfachen Verstärkerausgangsschaltung vorgenommen werden können. Die Aufgabe eines Leistungsverstärkers ist es, der angeschlossenen Last eine nennenswerte Ausgangsleistung (sowohl Strom als auch Spannung) mit einem angemessenen Wirkungsgrad zu liefern. Dies kann erreicht werden, indem der/die Transistor(en) in einer von zwei Grundbetriebsarten, Klasse A oder Klasse B, betrieben werden.

Eine Möglichkeit, einen Verstärker mit einem vernünftigen Wirkungsgrad zu betreiben, ist die Verwendung einer symmetrischen Klasse-B-Endstufe, die auf komplementären NPN- und PNP-Transistoren basiert. Mit einer geeigneten Vorspannung ist es möglich, jegliche Frequenzweichenverzerrung zu reduzieren, da die beiden Transistoren für einen kurzen Zeitraum jedes Zyklus abgeschaltet sind, und wie wir oben gesehen haben, wird eine solche Schaltung als Klasse-AB-Verstärker bezeichnet. Damit können wir eine einfache Klasse-AB-Leistungsverstärkerschaltung entwerfen, die etwa ein Watt an 16 Ohm mit einem Frequenzgang von etwa 20Hz bis 20kHz erzeugt.

 

Klasse-AB-Verstärker

 

 

Klasse-AB-Verstärker Zusammenfassung

Wir haben hier gesehen, dass ein Verstärker der Klasse AB so vorgespannt ist, dass der Ausgangsstrom für weniger als einen vollen Zyklus der Eingangswellenform, aber mehr als einen halben Zyklus fließt. Die Implementierung von Klasse-AB -Verstärkern ist den Standard-Konfigurationen der Klasse B sehr ähnlich, da sie zwei Schalttransistoren als Teil einer komplementären Ausgangsstufe verwenden, wobei jeder Transistor auf entgegengesetzten Halbzyklen der Eingangswellenform leitet, bevor sie an der Last kombiniert wird. Dadurch, dass beide Schalttransistoren für eine sehr kurze Zeit gleichzeitig Strom leiten können, kann die Ausgangswellenform während der Nulldurchgangsperiode wesentlich geglättet werden, wodurch die mit dem Klasse-B -Verstärkerdesign verbundene Übergangsverzerrung reduziert wird. Damit ist der Leitungswinkel größer als 180^o, aber viel kleiner als 360^o.

Wir haben auch gesehen, dass eine Klasse-AB-Verstärkerkonfiguration effizienter ist als ein Klasse-A-Verstärker, aber wegen des geringen Ruhestroms, der für die Vorspannung der Transistoren knapp über dem Cut-Off benötigt wird, etwas weniger effizient als ein Klasse-B -Verstärker ist. Die Verwendung einer falschen Vorspannung kann jedoch zu Crossover-Verzerrungsspitzen führen, die den Zustand verschlechtern. Allerdings sind Klasse-AB-Verstärker aufgrund ihrer Kombination aus relativ gutem Wirkungsgrad und hoher Ausgangsqualität eine der bevorzugten Audio-Endstufen, da sie geringe Crossover-Verzerrung und hohe Linearität ähnlich dem Klasse-A-Verstärkerdesign aufweisen.