تقویت کننده عملیاتی کلاس B 

تقویت کننده‌های کلاس B از دو یا چند ترانزیستور بایاس شده به گونه ای استفاده می‌کنند که هر ترانزیستور فقط در طول نیم چرخه شکل موج ورودی هدایت کند.

تقویت کننده عملیاتی کلاس B

برای بهبود بهره وری توان کامل تقویت کننده قبلی کلاس A با کاهش توان هدر رفته به صورت گرما، می‌توان مدار تقویت کننده توان را با دو ترانزیستور در مرحله خروجی آن تولید کرد که معمولاً به عنوان تقویت کننده کلاس B نامیده می‌شود که نیز به عنوان پیکربندی تقویت کننده فشاری-کششی شناخته می‌شود.

تقویت کننده های فشاری-کششی از دو ترانزیستور “مکمل” یا همسان استفاده می‌کنند، یکی از نوع NPN و دیگری از نوع PNP با هر دو ترانزیستور توان که هر یک سیگنال ورودی یکسان دریافت می‌کنند که از نظر اندازه برابر هستند، اما در فاز مخالف یکدیگر هستند. این منجر به این می‌شود که یک ترانزیستور فقط یک نیمه یا 180 درجه از چرخه شکل موج ورودی را تقویت کند در حالی که ترانزیستور دیگر نیمه دیگر یا 180 درجه باقیمانده از چرخه شکل موج ورودی را تقویت می‌کند و “دو نیمه” حاصل دوباره در ترمینال خروجی پشت سر یکدیگر قرار می‌گیرند.

سپس زاویه هدایت برای این نوع مدار تقویت کننده فقط  180 درجه یا 50٪ سیگنال ورودی است. این اثر فشار و کشش نیم سیکل های متناوب توسط ترانزیستورها باعث پیدایش نام جالب “فشاری-کششی” این نوع مدارها می‌شود، اما به طور کلی به عنوان تقویت کننده کلاس B شناخته می‌شوند که در زیر نشان داده شده است.

مدار تقویت کننده ترانسفورماتور کششی-فشاری کلاس B

مدار فوق یک مدار تقویت کننده کلاس B استاندارد را نشان می‌دهد که از یک ترانسفورماتور ورودی تنظیم شده مرکزی استفاده می‌کند که سیگنال شکل موج ورودی را به دو نیمه مساوی تقسیم می‌کند که نسبت به یکدیگر 180 غیر هم فاز هستند. یک ترانسفورماتور تنظیم شده مرکزی دیگر در خروجی برای ترکیب مجدد دو سیگنال استفاده می‌شود که باعث افزایش توان بار می‌شود. ترانزیستورهای مورد استفاده برای این نوع مدار تقویت کننده فشاری-کششی ترانسفورماتور هردو ترانزیستور NPN با ترمینال‌های امیتر به هم متصل خود هستند.

در اینجا، جریان بار بین دو قطعه ترانزیستور توان تقسیم می‌شود زیرا در یک قطعه کاهش می‌یابد و در قطعه دیگر در طول چرخه سیگنال افزایش می یابد و ولتاژ و جریان خروجی را به صفر می‌رساند. نتیجه این است که اکنون هر دو نیمه شکل موج خروجی از صفر به دو برابر جریان آرام تغییر می‌کند در نتیجه اتلاف را کاهش می‌دهد. این تأثیر تقریباً دو برابر شدن راندمان تقویت کننده را به حدود 70٪ می‌رساند.

با فرض اینکه هیچ سیگنال ورودی وجود ندارد، پس هر ترانزیستور جریان عادی کلکتور ساکن را حمل می‌کند، که مقدار آن توسط بایاس بیس که در نقطه قطع است تعیین می‌شود. اگر ترانسفورماتور به طور دقیق در مرکز تنظیم شده باشد، دو جریان کلکتور در جهت مخالف جریان می یابند (شرایط ایده آل) و مغناطیس هسته ترانسفورماتور وجود نخواهد داشت، بنابراین احتمال انحراف را به حداقل می‌رساند.

هنگامی که یک سیگنال ورودی در سطح ثانویه ترانسفورماتور راه انداز T1 وجود داشته باشد، ورودی‌های بیس ترانزیستور همانطور که نشان داده شده در “ضد فاز” یکدیگر قرار دارند، بنابراین اگر پایه TR1 مثبت شود ترانزیستور را به هدایت سنگین هدایت می‌کند، جریان کلکتور آن افزایش می‌یابد اما در همان زمان جریان بیس TR2 بیش از حد منفی می‌شود و جریان کلکتور این ترانزیستور با مقدار مساوی و بالعکس کاهش می‌یابد. از این رو نیمه‌های منفی توسط یک ترانزیستور و نیمه‌های مثبت توسط ترانزیستور دیگر که این اثر کششی را ارائه می دهند، تقویت می‌شوند.

بر خلاف شرایط DC، این جریان‌های متناوب افزودنی هستند و در نتیجه دو نیمه چرخه خروجی با هم ترکیب می‌شوند تا موج سینوسی را در سیم‌ پیچ اولیه ترانسفورماتورهای خروجی اصلاح کنند که بعد از آن در دوسر بار ظاهر می‌شوند.

عملکرد تقویت کننده کلاس B دارای بایاس DC صفر است زیرا ترانزیستورها در قطع بایاس می‌شوند، بنابراین هر ترانزیستور فقط زمانی هدایت می شود که سیگنال ورودی از ولتاژ بیس-امیتر بیشتر باشد. بنابراین، در ورودی صفر خروجی صفر وجود دارد و هیچ توانی مصرف نمی‌شود. این بدین معنی است که نقطه Q واقعی یک تقویت کننده کلاس B همانند شکل زیر در قسمت Vce از خط بار قرار دارد.

منحنی خصوصیات خروجی کلاس B

تقویت کننده کلاس B نسبت به همتاهای تقویت کننده کلاس A این مزیت بزرگ را دارد که در هنگام وضعیت ساکن ترانزیستورها هیچ جریانی عبور نمی‌کند (یعنی بدون سیگنال ورودی)، بنابراین وقتی هیچ سیگنالی وجود ندارد هیچ توانی در ترانزیستورهای خروجی یا ترانسفورماتور مصرف نمی‌شود برخلاف مراحل تقویت کننده کلاس A که به بایاس بیس قابل توجهی احتیاج دارد و در نتیجه حتی بدون وجود سیگنال ورودی مقدار زیادی گرما را اتلاف می‌کند.

بنابراین راندمان تبدیل کلی (η) تقویت کننده بیشتر از کلاس A معادل است که بازدهی آن تا 70٪ ممکن است و در نتیجه تقریباً همه نوع تقویت کننده های فشاری-کششی مدرن در این حالت کلاس B کار می‌کنند.

تقویت کننده فشاری-کششی بدون ترانسفورماتور کلاس B

یکی از معایب اصلی مدار تقویت کننده کلاس B این است که در طراحی خود از ترانسفورماتورهای تنظیم شده مرکزی متعادل استفاده می‌کند که این ساخت آن را گران می‌کند. با این حال ، نوع دیگری از تقویت کننده کلاس B وجود دارد که تقویت کننده کلاس B متقارن-مکمل است که در طراحی خود از ترانسفورماتور استفاده نمی‌کند، آن بدون ترانسفورماتور است در عوض از ترانزیستورهای توان مکمل یا منطبق استفاده می‌کند.

از آنجا که به ترانسفورماتورها نیازی نیست، این امر مدار تقویت کننده را برای همان مقدار خروجی بسیار کوچکتر می‌کند، همچنین هیچ اثر مغناطیسی خارجی یا اعوجاج ترانسفورماتور برای تأثیر بر کیفیت سیگنال خروجی وجود ندارد. در زیر مثالی از مدار تقویت کننده کلاس B “بدون ترانسفورماتور” آورده شده است.

سطح خروجی بدون ترانسفورماتور کلاس B

مدار تقویت کننده کلاس B در بالا برای هر نیمی از شکل موج از ترانزیستورهای اضافی استفاده می‌کند و درحالی که تقویت کننده‌های کلاس B بهره بسیار بالاتری نسبت به انواع کلاس A دارند، یکی از معایب اصلی تقویت کننده های فشاری-کششی نوع B این است که آنها از یک تاثیری که معمولاً به عنوان انحراف متقاطع شناخته می شود، رنج می‌برند.

خوشبختانه  از آموزشهایمان در مورد ترانزیستورها بخاطر داریم که تقریباً 0.7 ولت طول می کشد (از بیس تا امیتر اندازه گیری می‌شود) تا ترانزیستور دو قطبی شروع به هدایت کند. در یک تقویت کننده کلاس B خالص، ترانزیستورهای خروجی به وضعیت “روشن” عملیاتی “پیش بایاس” نشده اند.

این بدان معنی است که بخشی از شکل موج خروجی که به زیر این پنجره 0.7 ولت می‌رسد، با انتقال بین دو ترانزیستور (وقتی که آنها از یک ترانزیستور به ترانزیستور دیگر سوئیچ می‌شوند) دقیقاً تولید نمی‌شود، دقیقاً در نقطه تقاطع صفر حتی اگر جفتهای ویژه ای همسان باشند، ترانزیستورها متوقف نمی‌شوند یا شروع به هدایت نمی‌کنند.

ترانزیستورهای خروجی برای هر نیمی از شکل موج (مثبت و منفی) هر یک دارای یک منطقه 0.7 ولتی هستند که در آن هدایت نمی‌کنند. نتیجه این است که هر دو ترانزیستور دقیقاً همزمان “خاموش” می‌شوند.

یک روش ساده برای از بین بردن اعوجاج متقاطع در تقویت کننده کلاس B این است که دو منبع ولتاژ کوچک به مدار اضافه شود تا هر دو ترانزیستور را در یک نقطه کمی بالاتر از نقطه قطع آنها قرار دهد. پس از آن این چیزی است که ما معمولاً مدار تقویت کننده کلاس AB می‌نامیم. با این حال افزودن منابع ولتاژ اضافی به مدار تقویت کننده غیرمعمول است بنابراین از پیوندهای PN برای تهیه بایاس اضافی به شکل دیودهای سیلیکونی استفاده می‌شود.

تقویت کننده کلاس AB

ما می دانیم که برای شروع هدایت، ترانزیستور دو قطبی سیلیکونی نیاز به ولتاژ بیس-امیتر بیشتر از 0.7 ولت دارد، بنابراین اگر قرار بود دو مقاومت تقسیم کننده ولتاژ را که به پایه‌های بیس ترانزیستور متصل هستند، با دو دیود سیلیکونی جایگزین کنیم، اکنون ولتاژ بایاس اعمال شده بر روی ترانزیستورها برابر با افت ولتاژ این دیودها است. به طور کلی این دو دیود دیود بایاس یا دیود جبران کننده نامیده می‌شوند و متناسب با مشخصات ترانزیستورهای منطبق انتخاب می‌شوند. مدار زیر بایاس دیود را نشان می‌دهد.

تقویتکننده کلاس AB

مدار تقویت کننده کلاس AB سازش بین پیکربندی‌های کلاس A و کلاس B است. این ولتاژ بایاس دیود بسیار کم باعث می‌شود هر دو ترانزیستور حتی در صورت عدم وجود سیگنال ورودی کمی هدایت شوند. شکل موج سیگنال ورودی باعث می شود که ترانزیستورها در منطقه فعال خود به صورت عادی کار کنند و در نتیجه هرگونه اعوجاج متقاطع موجود در طراحی تقویت کننده های خالص کلاس B را از بین می‌برد.

سطح خروجی بدون ترانسفورماتور کلاس B

وقتی سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، یک جریان کلکتورکوچک جریان می‌یابد اما نسبت به پیکربندی تقویت کننده کلاس A بسیار کمتر است. این بدان معنی است که ترانزیستور بیش از نیمی از چرخه شکل موج “روشن” است اما بسیار کمتر از یک چرخه کامل است که بسته به مقدار بایاس اضافی زاویه هدایت بین 180درجه تا 360درجه یا 50٪ تا 100٪ سیگنال ورودی را نشان می‌دهد. مقدار ولتاژ بایاس دیود موجود در ترمینال بیس ترانزیستور را می‌توان با افزودن دیودهای اضافی به صورت مضربی افزایش داد.

تقویت کننده های کلاس B نسبت به طرح‌های کلاس A برای کاربردهای با توان بالا مانند تقویت کننده‌های توان صوتی و سیستم‌های PA ترجیح داده می‌شوند. مانند مدار تقویت کننده کلاس A، یکی از راه‌های افزایش قابل توجه بهره جریان (Ai) تقویت کننده فشاری-کششی کلاس B، استفاده از جفت ترانزیستور دارلینگتون به جای ترانزیستور منفرد در مدار خروجی آن است.

در آموزش بعدی در مورد تقویت کننده‌ها، اثرات اعوجاج متقاطع در مدارهای تقویت کننده کلاس B و راه های کاهش اثر آن را با دقت بیشتری بررسی خواهیم کرد.