Класс AB

Класс AB — это режим работы усилительного каскада (обычно двухтактного), в котором активный элемент (транзистор или лампа) проводит ток более половины, но менее целого периода входного сигнала. Класс AB занимает промежуточное положение между классами A и B, сочетая высокую линейность класса A с повышенным КПД класса B. В усилителях класса AB ток покоя устанавливается таким образом, чтобы оба плеча двухтактного каскада оставались открытыми вблизи нулевого перехода сигнала, что позволяет практически полностью устранить искажения типа «ступенька» (crossover distortion), характерные для чистого класса B.

Принцип работы

В двухтактном усилителе класса AB используются два активных элемента (транзисторы или лампы), работающих в противофазе. Каждый из них усиливает свою полуволну сигнала. В отличие от класса B, где ток покоя равен нулю и каждый элемент начинает проводить только при превышении порога отпирания (≈0,6 В для кремниевого биполярного транзистора), в классе AB на базы (или затворы) подаётся небольшое начальное смещение. Это смещение выбирается таким образом, чтобы каждый элемент проводил ток в течение времени, несколько превышающем половину периода.

Благодаря этому в момент перехода сигнала через ноль оба транзистора остаются слегка приоткрытыми, и характеристика передачи становится непрерывной и гладкой. Угол отсечки тока в классе AB составляет от 180° до 360° (в классе A — 360°, в классе B — 180°). Типичные значения угла отсечки для класса AB лежат в диапазоне 200–270°.

Характеристики и параметры

КПД

Теоретический максимальный КПД двухтактного каскада класса AB может достигать 50–78,5% в зависимости от режима смещения и амплитуды сигнала. На практике, с учётом потерь в цепях смещения и выходных трансформаторах (если они есть), КПД составляет 40–65%. Это значительно выше, чем у класса A (максимум 25–30% для трансформаторного каскада), но ниже, чем у чистого класса B (теоретически до 78,5%).

Линейность и искажения

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD) усилителей класса AB при малых уровнях сигнала сопоставим с классом A, однако с ростом амплитуды искажения увеличиваются быстрее. Основной вклад вносят искажения типа «ступенька», хотя в правильно спроектированном усилителе они минимизированы. Типичные значения КНИ для качественных транзисторных усилителей класса AB составляют 0,001–0,1% в номинальном диапазоне мощностей. Ламповые усилители класса AB имеют более высокий КНИ (0,5–3%), но спектр искажений у них считается более «музыкальным» из-за преобладания чётных гармоник.

Ток покоя

Ток покоя в классе AB устанавливается на уровне 2–10% от максимального выходного тока. Его точное значение критически важно: слишком малый ток приводит к появлению заметной «ступеньки» (режим, близкий к классу B), слишком большой — к перегреву и снижению КПД (режим, близкий к классу A). Для термостабилизации тока покоя в усилителях класса AB применяются схемы температурной компенсации (например, диоды или транзисторы, установленные на общем радиаторе с выходными транзисторами).

Схемотехнические особенности

Смещение

Для создания начального смещения в усилителях класса AB используются:

• Цепочки диодов (часто диоды, соединённые последовательно с выходными транзисторами через общий радиатор для термокомпенсации).
• Транзисторные «умножители напряжения» (Vbe-умножители), позволяющие плавно регулировать напряжение смещения.
• Резистивные делители с терморезисторами.

Двухтактные каскады

Класс AB реализуется как в комплементарных (n-p-n + p-n-p транзисторы), так и в квазикомплементарных (транзисторы одной проводимости с фазоинвертором) выходных каскадах. В ламповых усилителях используются пары ламп (например, 6П3С, EL34, KT88), работающие в ультралинейном или триодном включении.

Обратная связь

Для снижения искажений и расширения полосы пропускания в усилителях класса AB применяется общая отрицательная обратная связь (ООС). Глубина ООС обычно составляет 20–40 дБ. В некоторых высококачественных конструкциях используются локальные ООС в каждом каскаде.

Применение

Класс AB является наиболее распространённым режимом работы в усилителях звуковой частоты (УЗЧ) средней и высокой мощности. Он используется в:

• Бытовой аудиотехнике: интегральные усилители, ресиверы, AV-ресиверы, активные акустические системы.
• Профессиональном звуке: концертные усилители мощности, студийные мониторы, усилители для трансляционных систем.
• Гитарных и басовых усилителях: как транзисторные, так и ламповые комбоусилители и головы (например, Marshall, Fender, Ampeg).
• Автомобильных усилителях: большинство автомобильных усилителей мощности работают в классе AB из-за компромисса между тепловыделением и качеством звука.
• Радиопередающих устройствах: в усилителях мощности радиопередатчиков (особенно в УКВ-диапазоне) для линейного усиления сигналов с амплитудной модуляцией (AM) и однополосной модуляцией (SSB).

Сравнение с другими классами

История

Первые ламповые усилители класса AB появились в 1930-х годах, когда инженеры искали компромисс между качеством звука класса A и экономичностью класса B. Широкое распространение класс AB получил в 1950–1960-х годах с развитием транзисторной техники. Комплементарные транзисторы (n-p-n и p-n-p) позволили создавать простые и эффективные двухтактные каскады без выходных трансформаторов. В современной аудиотехнике класс AB остаётся стандартом для усилителей мощности до нескольких сотен ватт, хотя в портативной и автомобильной технике его всё чаще вытесняет класс D.

Критика и ограничения

Основным недостатком класса AB является необходимость точной термостабилизации тока покоя. При перегреве ток покоя может неконтролируемо возрасти (тепловой разгон), что приводит к выходу транзисторов из строя. Для предотвращения этого применяются схемы температурной компенсации и защита от перегрузки.

Другой недостаток — снижение КПД при малых уровнях громкости, когда усилитель фактически работает в классе A. Это делает класс AB менее эффективным, чем класс D, для устройств с батарейным питанием.

Источники

• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники» (The Art of Electronics), 3-е издание, 2015.
• Манаев Е. И. «Основы радиоэлектроники», 3-е издание, 1990.
• Self D. «Audio Power Amplifier Design Handbook», 6th edition, 2013.
• Бодиловский В. Г. «Справочник молодого радиста», 1983.
• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника», 12-е издание, 2008.