Szkolne podręczniki zawierają informacjeo wzmacniaczach klas A, B i C. Co jednakma zrobić elektronik, gdy napotka informa-cję o wzmacniaczach pracujących w klasieG, H, E, S lub T? Co to za wzmacniacze?Gdzie szukać informacji na ich temat?

Jednym z prostszych rozwiązań jest się-gnięcie do niniejszego, artykułu, który ob-szernie opisuje spotykane obecnie klasywzmacniaczy mocy.

Klasa wzmacniacza - domyślnie: wzmac-niacza mocy audio - określa przede wszyst-kim działanie (niekiedy także budowę) jegostopnia wyjściowego. Klasa wzmacniacza nicnie mówi o elementach czynnych, użytych dojego budowy (lampy, tranzystory bipolarne,IGBT MOSFET). Przykładowo wzmacniaczklasy A może być zbudowany z wykorzysta-niem lamp bądź dowolnych tranzystorów. Jaksię okazuje, klasyfikacja w istocie opiera sięna... długości czasu. Ta intrygująca informa-cja o czasie zostanie stopniowo wyjaśnionaw dalszej części artykułu, w trakcie omawia-nia poszczególnych klas.

Klasa APierwsze wzmacniacze mocy audio (poweraudio amplifiers) zawierały jedną lampęelektronową, a stopień wyjściowy wyglą-dał mniej więcej tak, jak na rysunku 1. Nawejście (siatkę lampy) podawany był nie-wielki napięciowy sygnał audio. Sygnał ten,wzmocniony w lampie występował na gło-śniku. To, że na głośniku występują wzmoc-nione przebiegi (napięciowe) podawane nawejście, jest oczywiste. Tak działa każdywzmacniacz i nie ma tu nic godnego uwagi.Przy omawianiu poszczególnych klas po-trzebna jest informacja, co dzieje się z prą-dem (prądami) w stopniu wyjściowym.

Przez lampę i uzwojenie pierwotne trans-formatora z rysunku 1 przepływał jakiśznaczny spoczynkowy prąd stały. Sygnał au-dio modulował ten prąd spoczynkowy –przykładowy przebieg prądu lampy pokaza-ny jest na rysunku 2. Jak widać, podczas

normalnej pracy prąd nie powinien zmniej-szać się do zera. Przez element czynny(w tym wypadku lampę) prąd powinien pły-nąć przez cały czas. I to właśnie jest wzmac-niacz klasy A – prąd płynie przez elementczynny nieprzerwanie.

Już tu trzeba podkreślić, że na rysunku 2zaznaczono przebieg prądu w stopniu wyj-ściowym, natomiast podobne kształtem krzy-we z rysunku 1 pokazują przebiegi napięćwejściowego i wyjściowego. Jak widać,przebieg prądu w stopniu wyjściowym odpo-wiada przebiegom napięć.

Wzmacniacz klasy A można też zbudo-wać z użyciem tranzystorów, jak pokazujerysunek 3.

W praktyce dość często buduje sięwzmacniacze klasy A o stałym poborze prą-du, oznaczane single ended class A. Różnicaw budowie w stosunku do schematów z ry-sunku 3b, 3c polega na zastosowaniu źródłaprądowego zamiast rezystora – pokazuje torysunek 4.

A, B, C...Zastosowanie dwóch lamp i transformatoraz dzielonym uzwojeniem pierwotnym po-zwala zbudować wzmacniacz symetrycznywedług rysunku 5. Zamiast lamp można wy-korzystać tranzystory i zbudować tranzysto-rowy odpowiednik układu z rysunku 5 – po-kazany jest on w uproszczeniu na rysun-ku 6a. Takie wzmacniacze, z tranzystoramigermanowymi PNP były budowane na po-czątku ery tranzystorowej. Potem pojawiłysię inne konfiguracje obwodów wyjścio-wych, nie zawierające dużego i kosztownegotransformatora wyjściowego. Kolejne wersjepokazane są na rysunkach 6b...6f. Obecniewykorzystywane są przede wszystkim konfi-guracje z rysunku 6e i 6f oraz pochodne.

O ile wzmacniacze z rysunków 1, 3, 4z natury muszą pracować w klasie A, o tylebudowa stopni wyjściowych z rysunków 5 i 6

10 E l e k t ron i k a P l u s - UKŁ ADY A UD IO

KKKKllllaaaassssaaaa TTTT,,,, cccczzzzyyyylllliiiinnnnoooowwwweeee iiii nnnnaaaajjjjnnnnoooowwwwsssszzzzeeee wwwwzzzzmmmmaaaaccccnnnniiiiaaaacccczzzzeeee mmmmooooccccyyyy

Rys. 3 Tranzystorowe wzmacniaczeklasy A

Rys. 4 Wzmacniacz class A single en-ded

Rys. 1 Prosty wzmacniacz lampowy

Rys. 2 Przebieg prądu we wzmacnia-czu klasy A

Artykuł z serii autorskich lekcji.

nie mówi absolutnie nic o klasie wzmacnia-cza. Na zamieszczonych uproszczonych sche-matach nie zaznaczono obwodów polaryzacji.Tymczasem muszą one występować w każ-dym wzmacniaczu i to właśnie one decydująo klasie wzmacniacza. Rysunek 7 pokazujebardzo uproszczony (nigdy nie stosowanyw praktyce) obwód polaryzacji tranzystoro-wego stopnia wyjściowego. W rzeczywistościukłady takie mają dodatkowe niewielkie re-zystory emiterowe według rysunku 7b.W stanie spoczynku (przy braku sygnału au-dio) przez tranzystor T1 płynie jakiś prąd sta-ły IP. Prąd ten wywołuje jakiś spadek napię-cia na rezystancji Rx. Pomijamy tu prądy baz,upraszczamy problem napięć, zakładając iżna bazach i emiterach tranzystorów T2, T3napięcie jest równe połowie napięcia zasilają-cego (tak jest w rzeczywistych wzmacnia-czach), czyli przez głośnik nie płynie prąd(IG=0). Interesować nas teraz będzie jedyniespadek napięcia na rezystancji Rx i związanyz tym prąd tranzystorów T2, T3, oznaczonyIS.

Uwaga! Teraz bardzo ważna informacja:w tym prostym układzie rezystancja Rx wy-znacza, w jakiej klasie będzie pracowałwzmacniacz.

Jeśli rezystancja ta będzie duża, to przezoba tranzystory T2, T3 będzie płynął duży(jednakowy) prąd spoczynkowy. Na rysunku 7oznaczony jest on IS. Gdy pojawi się sygnałaudio, chwilowa wartość prądu będzie sięzmieniać w takt sygnału, a co ważne - prądytranzystorów T2, T3 nie będą już jednakowe,bo przez głośnik popłynie prąd IG.

Jeśli spoczynkowy prąd IS będzie odpo-wiednio duży, wtedy w żadnej chwili prądytranzystorów nie zmaleją do zera – wzmac-niacz będzie pracował w klasie A. Przykła-dowe napięcia spoczynkowe (względem ma-sy) oraz przebiegi prądu obu elementówczynnych podczas przy pracy w klasie A po-kazuje rysunek 8a. W pierwszej chwili zdzi-wienie może budzić fakt, że prąd tranzystoraT3 zaznaczono jako ujemny – wyjaśni się tojuż przy omawianiu klasy B.

Natomiast rysunek 8a pokazuje najważ-niejszy fakt: we wzmacniaczu klasy A ele-

ment, bądź elementy czynneprzewodzą prąd przez cały czas.

Ogólnie znaną zaletą wzmac-niaczy klasy A są małe zniekształ-cenia, natomiast poważną wadą –mała sprawność energetyczna, rzę-du 10...20%. W praktyce oznaczato konieczność stosowania dużychzasilaczy i ogromnych radiatorów.

Na marginesie można wspo-mnieć o pewnych błędnych wyo-brażeniach. Niektórzy niezoriento-wani elektronicy uważają, żewzmacniacz klasy A musi byćzbudowany z pojedynczych ele-

mentów (lamp, tranzystorów), a nie układówscalonych. Choć rzeczywiście ogromna więk-szość wzmacniaczy klasy A jest budowanaz elementów dyskretnych, jednak, jak wyka-zano, pojęcie klasy nie ma prawie nic wspól-nego z budową, a jedynie z faktem, że prądprzez elementy czynne płynie przez cały czas.

Klasa BJeśli rezystancja Rx z rysunku 7 zostanie takdobrana, by w spoczynku (przy braku sygna-łu) oba tranzystory nie przewodziły prądu, alebyły na granicy przewodzenia, wtedy wzmac-niacz będzie pracował w klasie B. Po poja-wieniu się sygnału zmiennego tranzystory bę-dą włączane na przemian. Podczas pracywzmacniacza klasy B każdy z dwóch ele-mentów czynnych przewodzi prąd dokła-dnie przez 50% cyklu. Przykładowe napię-cia spoczynkowe i przebiegi prądu podczaspracy pokazuje rysunek 8b. Początkującypowinni koniecznie zwrócić uwagę na fakt,że prąd każdego z tranzystorów jest inny. Ści-ślej biorąc, dopiero „złożenie” obu prądówprzypomina przebieg wejściowy. Dzięki temu

(przynajmniej teore-tycznie) wzmacniaczklasy B pozwala uzy-skać na obciążeniu(głośniku) prawidło-wy, niezniekształco-ny sygnał i to przystosunkowo dużejsprawności energe-tycznej, wynoszącejniemal 80%.

W praktyce okazu-je się jednak, iż przymałych sygnałach wy-stępują znaczne znie-kształcenia, dlategowzmacniaczy audiopracujących w „czy-stej” klasie B nigdysię nie spotyka.

Klasa CJeśli rezystancja Rxbyłaby jeszcze mniej-sza, na przykład rów-

na zeru, wtedy nie tylko w spoczynku, alei przy małych sygnałach żaden z tranzysto-rów nie będzie przewodził. Przykładowe(niezbyt realne, ale ilustrujące zasadę działa-nia) napięcia i prądy pokazuje rysunek 8c.I właśnie to jest przykład wzmacniacza klasyC, gdy dany element czynny przewodziprąd krócej niż przez 50% cyklu.

W klasie B możliwe jest (przynajmniej te-oretycznie) uzyskanie na wyjściu sygnałuo kształcie dokładnie takim samym, jak nawejściu. We wzmacniaczu klasy C jest to nie-możliwe, bo „obcięte” przebiegi prądu zupeł-nie nie przypominają przebiegu wejściowe-go. Sygnał wyjściowy za pewno jest bardzo

11E l e k t ron i k a P l u s - UKŁ ADY A UD IO

Rys. 5 Wzmacniacz symetryczny

Rys. 6 Tranzystorowe stopnie końcowe

Rys. 7 Uproszczony stopień wyjściowy

silnie zniekształcony, a mniejsze sygnaływ ogóle przezeń nie przechodzą. Oczywiściewzmacniacze klasy C nie są wykorzystywa-ne w technice audio (stosowane są tylkow układach alarmowych, gdzie ważna jestgłośność a nie zniekształcenia oraz w ukła-dach w.cz., zazwyczaj we współpracy z ob-wodem rezonansowym).

Klasa DJeśli oba tranzystory będą na przemian al-bo całkowicie otwierane, albo całkowiciezamykane, układ będzie pracował w klasieD. Wbrew pozorom, jest to użyteczny trybpracy. Stosując między wzmacniaczem a gło-śnikiem prosty filtr LC można uzyskać pra-widłowy niezniekształcony sygnał. Pod wa-runkiem jednak, że otwieranie i zmykaniebędzie odbywać się z częstotliwością kilka-bądź kilkunastokrotnie większą od najwyż-szej częstotliwości sygnału audio, i że współ-czynnik wypełnienia impulsów będzie pro-porcjonalny do chwilowej wartości sygnałuaudio. We wzmacniaczu klasy D elementyczynne pełnią jedynie rolę kluczy (otwar-ty/zamknięty) i dlatego zazwyczaj stopieńwyjściowy zawiera tranzystory MOSFET.Wzmacniacz klasy D jest więc przetworni-kiem (chwilowej wartości) napięcia nawspółczynnik wypełnienia impulsów o po-nadakustycznej częstotliwości. Przykładoweprzebiegi napięć na wyjściu tranzystorowego„siekacza” oraz na filtrem LC pokazane są narysunku 8d. Rysunek 9 pokazuje zasadędziałania wzmacniacza klasy D.

Ponieważ tranzystory wyjściowe są albow pełni otwarte, albo zamknięte, nie wydzie-la się w nich moc strat. Teoretyczna spraw-ność wzmacniacza klasy D wynosi 100%, coznaczy, że cała moc pobrana z zasilacza jestdoprowadzana do głośnika. W praktycewzmacniacze klasy D osiągają sprawność90...95% co i tak jest rewelacyjnym wyni-kiem w porównaniu ze sprawnością wzmac-

niacza klasy B, wynoszącą teoretycznie 78%,oznacza bowiem kilkukrotne zmniejszeniemocy strat (i wielkości radiatorów).

Wzmacniacz klasy D można słusznie na-zwać wzmacniaczem impulsowym (switchingpower amplifier). Często spotyka się takżeokreślenie PWM amplifiers, gdzie PWM toPulse Width Modulation, czyli modulacja sze-rokości impulsu. Znacznie mniej trafne, za toczęściej stosowane ze względów reklamo-wych jest określenie wzmacniacz cyfrowy (di-gital amplifier). Słowo cyfrowy (D jak digi-tal) kojarzy się z wysoką jakością, tymczasemwzmacniacze klasy D wcale nie wyróżniająsię szczególnie dobrą jakością. Ich najważ-niejszą zaletą jest wysoka sprawność energe-tyczna, przez co możliwa jest daleko posunię-ta miniaturyzacja (małe radiatory), a bateryjnewzmacniacze klasy D pozwalają przedłużyćżywotność baterii nawet trzykrotnie. Wzmac-niacze klasy D nie realizują więc „odwieczne-go” marzenia audiofilów: jednocześnie wy-sokiej wierności odtwarzania i dużej spraw-ności energetycznej. O ile sprawność jest rze-czywiście imponująca (często przekracza90%), o tyle zniekształcenia nieliniowe i in-termodulacyjne są rzędu 1%, do w urządze-niach wyższej klasy jest nie do przyjęcia.

Klasy pośrednieWzmacniacze klasy A są wykorzystywanerzadko, a wzmacniacze „czystej” klasy B –nigdy. Ogromna większość typowychwzmacniaczy mocy audio pracuje w tak zwa-nej klasie AB. Stopnie wyjściowe wzmacnia-cza klasy AB w spoczynku przewodzą jakiśniewielki prąd – na rysunku 7 odpowiada topośredniej wartości Rx, pomiędzy klasąA i B. Każdy tranzystor przewodzi przezczas dłuższy niż połowa cyklu. W rezultacieprzy małych sygnałach wzmacniacz pracujew klasie A, przy dużych – podobnie jakw klasie B. Przykładowe napięcia i prądy po-kazane są na rysunku 8e. Wzmacniacze kla-

sy AB łączą zalety klas A i B: mająnieduże zniekształcenia oraz stosun-kowo dobrą sprawność energetyczną,rzędu 50...70%. W zależności od war-tości prądu spoczynkowego mówi sięo płytszej lub głębszej klasie AB.Czym większy prąd spoczynkowy,tym mniejsza sprawność, ale i mniej-sze zniekształcenia. Typowe wzmac-niacze (scalone i tranzystorowe) pra-cują przy niewielkich prądach spo-czynkowych rzędu 20...100mA, pod-czas gdy maksymalny prąd tranzysto-rów w szczytach wysterowania wyno-si kilka amperów.

Powszechnie znana (przytoczonarównież w tym artykule) jest opinia, żewzmacniacz klasy A ma małe znie-kształcenia, bo elementy czynne całyczas przewodzą prąd. Wielu elektroni-kom nasuwa to wniosek, że aby

12 E l e k t ron i k a P l u s - UKŁ ADY A UD IO

Rys. 8 Klasy wzmacniaczy Rys. 9 Wzmacniacz klasy D

pozbyć się zniekształceń wystarczy zmodyfi-kować obwody polaryzacji wzmacniaczaklasy AB tak, by tranzystory nigdy nie zosta-ły zatkane, a prąd nie był nigdy mniejszy odjakiejś wartości Imin. Przebiegi napięć i prą-dów wyglądałyby wtedy jak na rysunku 8f.Nie można tego zrealizować w typowychukładach polaryzacji pracujących na zasa-dzie pokazanej na rysunku 7, bo mówiącw największym uproszczeniu, do zatkaniatranzystora wystarczy mniejsza różnica na-pięcia niż do jego otwarcia. Można to jednakzrealizować zupełnie inaczej, na przykład nazasadzie pokazanej w wielkim uproszczeniuna rysunku 10. Przez końcówki wzmacnia-cza operacyjnego U1 płynie jakiś prąd spo-czynkowy IP. Wywołuje on na rezystorachR5, R6 spadek napięcia, który nieco otwieratranzystory T3, T4, powodując przepływ prą-du spoczynkowego IS. Pojawienie się zmien-nego napięcia wejściowego powoduje prze-pływ prądu przez rezystor R7. Prąd ten prze-pływa albo przez R5, albo przez R6 i otwierajeden z tranzystorów mocy T3, T4.

Spotyka się takie wzmacniacze – takz grubsza biorąc, zbudowany jest wzmac-niacz Vellemana o oznaczeniu K4010.

Ze względów reklamowych wzmacniaczetego typu zalicza się do kategorii określanejjako ekonomiczna klasa A, a czasem nawetklasa AA. Nie znaczy to, że wzmacniacz takimożna zaliczyć do „prawdziwej” klasy A. Coprawda warunek ciągłości prądu jest spełnio-ny, jednak trzeba bardzo wyraźnie podkreślić,że poziom zniekształceń zależy od wieluczynników, nie tylko od ciągłości prądu. Mo-że się okazać, i często okazuje, że dopracowa-ny wzmacniacz klasy AB z MOSFET-ami da-je dźwięk zdecydowanie lepszy niż najpraw-dziwszy wzmacniacz klasy A. Sam fakt, żestopień wyjściowy pracuje w klasie A nieświadczy o jakości dźwięku tego wzmacnia-cza. Właśnie ze względu na fakt, że warunekciągłości prądu nie decyduje o wszystkim,

wzmacniacze o właściwościach pokazanychna rysunku 8f należy zaliczyć do klasy B.Określenie klasa A powinno pozostać zare-zerwowane do układów, gdzie przebieg prądu(a nie tylko napięcia na obciążeniu) wiernieodzwierciedla kształt sygnału audio.

Jak wynika z podanych informacji, uzyska-nie optymalnych właściwości umożliwia klasaAB. Właściwości te są wynikiem kompromisumiędzy wadami i zaletami klas A i B. Okazujesię też, że zniekształcenia można redukowaćstosując odpowiednie konfiguracje układowe,konstrukcyjne, oraz elementy: szybkie tranzy-story, wysokiej jakości rezystory i kondensato-ry, zwłaszcza kondensatory elektrolityczne.Rzekomo rewelacyjnie brzmiące wzmacniaczeklasy A zazwyczaj są budowane jedynie dlaciekawości, albo co gorsze, dla „szpanu” przedznajomymi. Nie cieszą się zbytnią popularno-ścią, głównie ze względu na koszmarnie wiel-kie straty cieplne. Właśnie problem mocyi strat cieplnych stał się bezpośrednią przyczy-ną opracowania wzmacniaczy klas G i H.

Wzmacniacze klas E, F,G, H, S, T oraz inne ciekawsze koncepcjePrzed omówieniem klas G i H, które pojawiłysię one w drugiej połowie lat siedemdziesią-tych (1977), koniecznie trzeba wspomniećo skrócie BTL. Nie jest to nazwa klasywzmacniaczy, jak uważają niewtajemniczeni.BTL (Bridge Tied Load) to po prostu układmostkowy. Połączenie dwóch najzwyklej-szych wzmacniaczy (np. klasy AB) i stopniaodwracającego fazę sygnału według rysun-ku 11 pozwala uzyskać na obciążeniu moc czte-rokrotnie większą niż w przypadku pojedyncze-go wzmacniacza. Układy mostkowe są po-wszechnie stosowane we wzmacniaczach dużejmocy (powyżej 100W) oraz w urządzeniach sa-mochodowych, zasilanych napięciem akumula-tora, wynoszącym w czasie jazdy około 14,4V.

Klasa GPrzez ostatnie trzydzieści lat moc wyj-ściowa wzmacniaczy stale rośnie. Pro-ducenci wabią klientów coraz to więk-szą mocą swych zestawów. Pomijającnieprzyzwoite chwyty reklamowe, po-legające na podawaniu „wziętej z sufi-tu” niebotycznej mocy PMPO, trzebarzetelnie stwierdzić, że wzmacniaczeczołowych firm naprawdę mają zadzi-wiająco dużą moc wyjściową, rzędu

kilkuset watów. Ze wzrostem mocy maksy-malnej rośnie poważny problem mocy strat.Teoretyczna sprawność wzmacniacza klasyAB rzędu 65…75% dotyczy pełnego wyste-rowania. Okazuje się jednak, że przy mniej-szym wysterowaniu moc strat jest większa(!)niż przy maksymalnym sygnale – pokazujeto rysunek 12.

Rysunek 12 pokazuje również, iż mocstrat bardzo silnie zależy od napięcia zasila-jącego – mniejsze napięcie zasilania towprawdzie mniejsza maksymalna mocy wyj-ściowa, ale i mniejsza moc strat. W rzeczy-wistych programach audio przez większośćczasu poziom sygnałów jest nieduży, a jedy-nie co jakiś czas występują silniejsze frag-menty. Tym samym przez większość czasuwzmacniacz pracuje w niekorzystnych wa-runkach, z dużą mocą strat.

Przed większość czasu wystarczyłbywzmacniacz niewielkiej mocy (i malej mocystrat), a tylko w krótkich chwilach potrzebnybyłby potężny wzmacniacz dysponujący peł-ną mocą. I tu zaczyna się historia klasy G.

Jak połączyć dwa wzmacniacze w jeden?Czy w ogóle potrzebne są dwa wzmacniacze?Może wystarczy jeden o zmiennym napięciuzasilania?

Sercem wzmacniacza klasy G jest kla-syczny stopień wyjściowy pracujący w klasie

13E l e k t ron i k a P l u s - UKŁ ADY A UD IO

Rys. 12 Zależność mocy strat od mo-cy wyjściowej

Rys. 13 Wzmacniacze klasy G

Rys. 11 Układ mostkowy

Rys. 10 Nietypowy wzmacniacz klasy AB

AB. Dwa bardzo uproszczone przykłady rea-lizacji wzmacniacza klasy G są pokazane narysunku 13. Pierwszy zawiera dwa stopnieklasy AB, zasilane napięciami o różnej war-tości. Przy małych sygnałach pracuje tylkoczęść zasilana niższym napięciem (T1, T2).

W drugim rozwiązaniu (rys. 13b) wystę-puje tylko jeden stopień wyjściowy klasy AB(T1, T2). Przy niewielkich sygnałach zasila-ny jest on obniżonym napięciem przez diodyD1, D2. Jedynie w chwilach, gdy jest to ko-nieczne (silny sygnał wejściowy), dodatkowetranzystory T3, T4 zwiększają napięcie zasi-lające, by w szczytach wysterowania uzyskaćna obciążeniu potrzebną dużą moc.

Jak wskazuje rysunek 12, wzmacniaczeklasy G umożliwiają znaczącą redukcję śre-dniej mocy strat. I to jest ich istotna, ale jedy-na zaleta – zniekształcenia nie są wcalemniejsze od zniekształceń analogicznychwzmacniaczy klasy AB.

Klasa HJak wiadomo (P = (Usk)2 / R), samochodowywzmacniacz mostkowy BTL przy napięciuzasilania 14,4V umożliwia uzyskanie mocy12W na obciążeniu 8Ω i 25W na 4Ω. Ponie-waż w wielu wypadkach to nie wystarcza,stosowane są różne sposoby uzyskania więk-szej mocy. Najprostsze jest zmniejszenieoporności obciążenia do 2Ω co umożliwiauzyskanie ponad 40W mocy, jednak głośnikio oporności 2Ω nie są popularne. Innym spo-sobem jest zastosowanie przetwornicy, dają-cej napięcie np. ±25V i klasycznego wzmac-niacza. Jeszcze innym sposobem jest zastoso-wanie wzmacniacza klasy H, którego upro-szczony schemat blokowy pokazany jest narysunku 14. Wzmacniacz klasy H jest mody-fikacją, a raczej rozwinięciem koncepcjiwzmacniacza klasy G. Podstawą jest tu układmostkowy (wzmacniacze A1, A2). Normal-nie jest on zasilany napięciem akumulatoraprzez diody D1, D2 i pracuje jak najzwyklej-szy wzmacniacz klasy AB. Przy silniejszychsygnałach napięcie zasilające jednego zewzmacniaczy jest chwilowo zwiększane zapomocą pomp ładunku zawierających dodat-kowe wzmacniacze A3, A4 i kondensatoryC1, C2. Można powiedzieć, że pracującywzmacniacz klasy H sam wytwarza w szczy-tach wysterowania wyższe napięcie, któreumożliwia uzyskanie znacznie większej mo-cy wyjściowej. Warto zauważyć, że napięcie

zasilające zwiększane jest w takt sygnału tyl-ko w tym kanale i tylko wtedy, gdy jest to ko-nieczne.

Oprócz zwiększenia mocy wyjściowej,praca przy zmieniającym się dynamicznienapięciu zasilania niejako przy okazji dajepoprawę sprawności energetycznej, coumożliwia zastosowanie mniejszego radiato-ra. Przykładem realizacji może być układscalony Philipsa TDA1562Q, umożliwiającyuzyskanie mocy 70W na obciążeniu 4Ω przynapięciu akumulatora 14,4V (100W w szczy-cie przy zasilaniu 17V) – rysunek 14 pokazu-je uproszczony schemat tego wzmacniacza.

Klasy E, F, SOprócz klas A, AB, B, C, D istnieje wieleinnych. Nie wszystkie mają związek zewzmacniaczami audio. Jak wspomniano,wzmacniacze klasy C stosowane są przedewszystkim w technice w.cz. Również tylkow technice w.cz, i to rzadko, spotyka sięwzmacniacze klas E oraz F. Rysunek 15pokazuje zasadę działania i przykład reali-zacji wzmacniacza klasy E. Element czyn-ny pracuje tu jako klucz – w jednymz dwóch stanów: otwarty, zamknięty. Filtrwyjściowy usuwa wyższe harmonicznei pozwala uzyskać na wyjściu sygnał sinu-soidalny.

Nieoficjalna klasa F obejmuje wzmac-niacze podobne jak w klasie E, ale z ob-wodami rezonansowymi strojonymi niena jedną częstotliwość (podstawową), tyl-ko na dwie lub więcej (np. podstawowąi trzecią harmoniczną).

W literaturze spotyka się też wzmiankio klasie S. Wykorzystuje się tam zasadę mo-dulacji współczynnika wypełnienia impulsówi amplitudy. Klasa S została po raz pierwszyopisana w roku 1932(!). Można śmiało po-wiedzieć, że dawna klasa S to obecna klasa D.

Trochę inaczej jest z najnowszą klasą T.

Klasa TObecnie w całej prasie elektronicznej głośnomówi się o wzmacniaczach klasy T. W roku1998 amerykańska firma Tripath zaprezento-wała pierwszy opracowany przez siebiewzmacniacz klasy T. Dziś ma w swej oferciewzmacniacze o mocach do 1000W.

Ze względów komercyjnych firma Tripathnie wyjawiła wszystkich szczegółów dotyczą-cych swych wzmacniaczy. Wiadomo tylko, żesą to wzmacniacze impulsowe, podobne bu-

dową do wzmacniaczy klasy D.Stopień wyjściowy, zawierającytranzystory MOSFET jest rów-nież sterowany przebiegiemprostokątnym. W odróżnieniuod wzmacniaczy klasy D, czę-stotliwość impulsów nie jest sta-ła - zmienia się w granicach50kHz...1,5MHz, wynosząc śre-dnio 600...700kHz.

Nieporównanie bardziej skomplikowanesą też stopnie sterujące. Częstotliwość i wy-pełnienie impulsów wyjściowych są wyzna-czane przez skomplikowany w procesie cy-frowej obróbki z wykorzystaniem zaawanso-wanej teorii sygnałów, stosowanej wcześniejw telekomunikacji. Rysunki 16 i 17 pokazu-ją wewnętrzne schematy blokowe wzmacnia-cza klasy T. Wzmacniacz klasy T jest więcw istocie procesorem sygnałowym, sterują-cym wyjściowymi tranzystorami MOSFETw sposób wyznaczony przez sygnał wejścio-wy i sygnał sprzężenia zwrotnego według

14 E l e k t ron i k a P l u s - UKŁ ADY A UD IO

Rys. 14 Wzmacniacz klasy H

Rys. 15 Wzmacniacz klasy E

Rys. 16 Schemat funkcjonalny wzmacniacza klasy T

Rys. 17 Schemat wewnętrzny ukła-du scalonego wzmacniacza kla-sy T

skomplikowanego algorytmu. Podstawą jesttu opracowana przez Tripath tak zwana tech-nologia DPP™ (Digital Power Processing),łącząca osiągnięcia cyfrowej obróbki sygna-łów i techniki sterowników dużej mocy. Jednaz przyczyn występowania zniekształceń wewzmacniaczach klasy D jest niedoskonałośći rozrzut parametrów wyjściowych tranzysto-rów MOSFET. Sterownik wzmacniacza klasyT niejako „uczy się” parametrów współpracu-jących tranzystorów (opóźnienie, charaktery-styka przełączania, różnice parametrów) i po-tem kompensuje ich niedoskonałości, wytwa-rzając odpowiednie impulsy sterujące.

Efektem zastosowania we wzmacniaczuklasy T takiej zaawansowanej obróbki cyfro-wej jest lepsza liniowość, mniejszy poziomszumów własnych, szerszy zakres dynamiki,bardziej płaska charakterystyka przenoszeniai opóźnienia grupowego, mniejsze zakłóceniaelektromagnetyczne generowane przez układoraz możliwość stosowania prostszych filtrów.

Przykładowo udaje się uzyskać współ-czynnik zniekształceń nieliniowych(THD+N) poniżej 0,08%, a współczynnikzniekształceń intermodulacyjnych (IMD)poniżej 0,04%, co stawia wzmacniacze kla-sy T na równi z bardzo dobrymi wzmacnia-czami klas A i AB. Rysunek 18 pokazujezmierzone współczynniki zniekształceń nie-liniowych wzmacniaczy T i D o podobnejmocy. Dzięki pracy impulsowej, sprawnośćenergetyczna jest niewiele gorsza, odsprawności wzmacniaczy klasy D i wynosi80...92%. Tym samym klasa T łączy zaletyklas A, AB i D.

Fotografia 19 pokazuje zadziwiająco ma-ły wzmacniacz TA0104A klasy T o mocy2x500W (1500W w połączeniu mostko-wym). Niewykluczone, że właśnie wzmac-niacze klasy T z czasem całkowicie zdomi-nują rynek wzmacniaczy audio. Nic więcdziwnego, że firma Tripath reklamuje swojeopracowania, a jednocześnie zazdrośniestrzeże tajemnic technicznych. Producencisprzętu audio, m.in. Alpine, Sony, Matsushi-ta już wykorzystują te nowe wzmacniaczew swoim sprzęcie.

Klasy mieszaneOprócz wzmacniaczy „czystych klas”, ozna-czanych jedną pojedynczą literą, istnieje wie-le wzmacniaczy, których można zakwalifiko-wać do klas mieszanych.

Przykładowo rysunek 20 pokazuje zasadępracy wzmacniacza, zawierającego połączonerównolegle stopnie klas AB oraz C. Przy ma-łych sygnałach pracują (w klasie AB) tranzy-story T1, T2, natomiast przy dużych, gdy na-pięcie na rezystorach R1, R2 sięga 0,6V, otwie-rają się normalnie zatkane tranzystory T3, T4.

Rysunek 21 przedstawia koncepcjęwzmacniacza „super class A”, stosowaną od1978 roku przez firmę Technics. Głównywzmacniacz A1 pracuje tu w „czystej” klasieA. Aby radykalnie zmniejszyć moc strat, za-stosowano bardzo ciekawy sposób - całkowi-te napięcie zasilające ten wzmacniacz nie jeststałe, tylko zmienia się w takt sygnału.Oprócz dwóch 15-woltowych źródeł B1, B2(są to zasilacze) wykorzystuje się też napię-cie ±50V. Drugi wzmacniacz A2, pracujący

w klasie AB lub B zmienia napięcia zasilają-ce. Ponieważ jego zadaniem jest tylko zmia-na napięć zasilania w takt sygnału, takie pa-rametry jak liniowość nie są istotne, więcz powodzeniem może to być wzmacniaczpracujący w klasie B.

Nietrudno sobie wyobrazić kolejną mody-fikację układu z rysunku 17, polegającą nazastąpieniu wzmacniacza klasy B przez je-szcze ekonomiczniejszy wzmacniacz klasyD bądź specjalny zasilacz impulsowy o na-pięciu zależnym od wielkości sygnału.

Podobnie wzmacniacz klasy G z rysunku13b może być zmodyfikowany wg rysunku 22.Wtedy „zewnę-trzne” tranzysto-ry T3, T4 nie sąotwierane płyn-nie w takt sygna-łu, tylko pracująw sposób charak-terystyczny dlaklasy D: są albosą w pełni otwar-te, albo w pełnizatkane. Podaneinformacje niewyczerpują tema-tu klas i koncep-cji układowychwzmacniaczy.

PodsumowanieObecnie ogromna większość dostępnychwzmacniaczy pracuje w klasie AB. KlasaA pozostaje domeną audiofilów, ekspery-mentatorów i snobów. Wzmacniacze klasG i H po ponad dwudziestu latach od ich po-jawienia się na rynku, nie są wcale historycz-ną ciekawostką. Niemniej przy obecnychtendencjach do miniaturyzacji oraz ze wzglę-du na oszczędność energii świetlana przy-szłość otwiera się przed wzmacniaczami kla-sy D. Będą znajdować coraz szersze zastoso-wanie w sprzęcie elektronicznym, zwłaszczaminiaturowym i zasilanym bateryjnie. Co dotego nie ma wątpliwości. Trudniej natomiastprzewidzieć, czy ulepszone wzmacniaczeimpulsowe wyprą wzmacniacze klasy AB zesprzętu przeznaczonego dla bardziej wyma-gających i zamożniejszych słuchaczy. O suk-cesie lub porażce „cyfrowych” wzmacniaczyw tym obszarze rynku mogą zadecydowaćpowody bardzo dalekie od racjonalnych.Wiadomo, że już obecnie mało kto potrafirozróżnić poszczególne wzmacniacze klasA i AB na podstawie ich brzmienia. Podob-nie będzie ze wzmacniaczami impulsowymi.Można się więc spodziewać, że nieco gorszebrzmieniowo, ale modne wzmacniacze „cy-frowe” (D - jak digital) upowszechnią siętakże w droższym i najdroższym sprzęcie.

Piotr Górecki

15E l e k t ron i k a P l u s - UKŁ ADY A UD IO

Rys. 22 WzmacniaczAB+D

Rys. 20 Wzmacniacz klasy AB+C

Rys. 21 Wzmacniacz klasy A zezmiennym napięciem zasilania

Rys. 18 Zniekształcenia nieliniowe

Fot. 19 Wzmacniacz klasy T 2x500W