{tocify} $title={Daftar Isi}
Tidak semua amplifier sama dan ada perbedaan yang jelas antara cara tahap output dikonfigurasi dan dioperasikan. Karakteristik operasi utama dari penguat yang ideal adalah linieritas, penguatan sinyal, efisiensi dan keluaran daya tetapi dalam penguat dunia nyata selalu ada trade off antara karakteristik yang berbeda ini.
Umumnya, penguat sinyal atau daya besar digunakan dalam tahap keluaran sistem penguat audio untuk menggerakkan beban pengeras suara. Loudspeaker tipikal memiliki impedansi antara 4Ω dan 8Ω, sehingga power amplifier harus mampu memasok arus puncak tinggi yang diperlukan untuk menggerakkan speaker impedansi rendah.
Salah satu metode yang digunakan untuk membedakan karakteristik listrik dari berbagai jenis amplifier adalah dengan "kelas", dan amplifier tersebut diklasifikasikan menurut konfigurasi rangkaian dan metode operasinya. Kemudian Kelas Amplifier adalah istilah yang digunakan untuk membedakan berbagai jenis amplifier.
Kelas Amplifier mewakili jumlah sinyal output yang bervariasi dalam rangkaian amplifier selama satu siklus operasi ketika dieksitasi oleh sinyal input sinusoidal. Klasifikasi amplifier berkisar dari operasi yang sepenuhnya linier (untuk digunakan dalam amplifikasi sinyal dengan ketelitian tinggi) dengan efisiensi yang sangat rendah, hingga operasi yang sepenuhnya non-linier (di mana reproduksi sinyal yang tepat tidak begitu penting) tetapi dengan efisiensi yang jauh lebih tinggi, sementara yang lain merupakan kompromi antara keduanya.
Kelas amplifier terutama dikelompokkan menjadi dua kelompok dasar. Yang pertama adalah penguat sudut konduksi yang dikontrol secara klasik yang membentuk kelas penguat yang lebih umum dari A, B, ABdan C, yang ditentukan oleh panjang keadaan konduksinya pada beberapa bagian bentuk gelombang keluaran, sehingga operasi transistor tahap keluaran terletak di suatu tempat antara "sepenuhnya AKTIF" dan "MATI sepenuhnya".
Amplifier set kedua adalah yang disebut kelas amplifier “switching” yang lebih baru dari D, E, F, G, S, T dll, yang menggunakan sirkuit digital dan modulasi lebar pulsa (PWM) untuk secara konstan mengalihkan sinyal antara "sepenuhnya- ON" dan "sepenuhnya-OFF" mendorong output dengan keras ke daerah saturasi dan cut-off transistor.
Kelas penguat yang paling umum dibuat adalah kelas yang digunakan sebagai penguat audio, terutama kelas A, B, AB dan C dan untuk membuatnya tetap sederhana, jenis kelas penguat ini akan kita lihat di sini secara lebih rinci.
Amplifier Kelas A
Penguat Kelas A adalah jenis topologi penguat yang paling umum karena hanya menggunakan satu transistor pengalih keluaran (Bipolar, FET, IGBT, dll.) dalam desain penguatnya. Transistor output tunggal ini bias di sekitar titik-Q di tengah garis bebannya dan karenanya tidak pernah didorong ke daerah cut-off atau saturasi sehingga memungkinkannya mengalirkan arus selama 360 derajat penuh dari siklus input. Kemudian transistor keluaran dari topologi kelas-A tidak pernah "OFF" yang merupakan salah satu kelemahan utamanya.
Amplifier kelas "A" dianggap sebagai kelas desain amplifier terbaik terutama karena linearitasnya yang sangat baik, gain tinggi, dan tingkat distorsi sinyal rendah bila dirancang dengan benar. Meskipun jarang digunakan dalam aplikasi penguat daya tinggi karena pertimbangan catu daya termal, penguat kelas-A mungkin terdengar paling baik dari semua kelas penguat yang disebutkan di sini dan karena itu digunakan dalam desain penguat audio dengan ketelitian tinggi.
Amplifier Kelas A
Untuk mencapai linieritas dan penguatan yang tinggi, tahap keluaran penguat kelas A dibias "ON" (konduktor) sepanjang waktu. Kemudian untuk penguat yang diklasifikasikan sebagai “Kelas A” arus idle sinyal nol pada tahap keluaran harus sama atau lebih besar dari arus beban maksimum (biasanya loudspeaker) yang diperlukan untuk menghasilkan sinyal keluaran terbesar.
Sebagai penguat kelas A beroperasi di bagian linier dari kurva karakteristiknya, perangkat keluaran tunggal melakukan melalui 360 derajat penuh dari bentuk gelombang keluaran. Maka penguat kelas A setara dengan sumber arus.
Karena penguat kelas A beroperasi di wilayah linier, basis transistor (atau gerbang) tegangan bias DC harus dipilih dengan benar untuk memastikan operasi yang benar dan distorsi yang rendah. Namun, karena perangkat output "ON" setiap saat, ia terus-menerus membawa arus, yang menunjukkan hilangnya daya terus-menerus di amplifier.
Karena kehilangan daya yang terus-menerus ini, amplifier kelas A menghasilkan panas dalam jumlah besar yang menambah efisiensi yang sangat rendah sekitar 30%, membuatnya tidak praktis untuk amplifikasi daya tinggi. Juga karena arus idling amplifier yang tinggi, catu daya harus berukuran sesuai dan disaring dengan baik untuk menghindari dengungan dan kebisingan amplifier. Oleh karena itu, karena efisiensi yang rendah dan masalah pemanasan berlebih pada amplifier Kelas A, kelas amplifier yang lebih efisien telah dikembangkan.
Amplifier Kelas B
Amplifier Kelas B diciptakan sebagai solusi untuk masalah efisiensi dan pemanasan yang terkait dengan amplifier kelas A sebelumnya. Penguat kelas B dasar menggunakan dua transistor gratis baik bipolar FET untuk setiap setengah bentuk gelombang dengan tahap keluarannya dikonfigurasi dalam pengaturan tipe "push-pull", sehingga setiap perangkat transistor menguatkan hanya setengah dari bentuk gelombang keluaran.
Pada penguat kelas B, tidak ada arus bias basis DC karena arus diamnya nol, sehingga daya dc kecil dan oleh karena itu efisiensinya jauh lebih tinggi daripada penguat kelas A. Namun, harga yang harus dibayar untuk peningkatan efisiensi terletak pada linieritas perangkat switching.
Amplifier Kelas B
Ketika sinyal input menjadi positif, transistor bias positif berjalan sementara transistor negatif dimatikan "OFF". Demikian juga, ketika sinyal input menjadi negatif, transistor positif beralih "OFF" sedangkan transistor bias negatif berubah "ON" dan melakukan bagian negatif dari sinyal. Jadi transistor melakukan hanya separuh waktu, baik pada setengah siklus positif atau negatif dari sinyal input.
Kemudian kita dapat melihat bahwa setiap perangkat transistor dari penguat kelas B hanya berjalan melalui setengah atau 180 derajat dari bentuk gelombang keluaran dalam pergantian waktu yang ketat, tetapi karena tahap keluaran memiliki perangkat untuk kedua bagian dari bentuk gelombang sinyal, kedua bagian tersebut digabungkan bersama. untuk menghasilkan bentuk gelombang keluaran linier penuh.
Desain penguat push-pull ini jelas lebih efisien daripada Kelas A, sekitar 50%, tetapi masalah dengan desain penguat kelas B adalah dapat menciptakan distorsi pada titik persilangan nol dari bentuk gelombang karena pita mati transistor tegangan basis input dari -0,7V hingga +0,7.
Kita ingat dari tutorial Transistor bahwa dibutuhkan tegangan basis-emitor sekitar 0,7 volt untuk membuat transistor bipolar mulai konduksi. Kemudian pada penguat kelas B, transistor keluaran tidak "bias" ke keadaan operasi "ON" sampai tegangan ini terlampaui.
Ini berarti bahwa bagian dari bentuk gelombang yang berada dalam jendela 0,7 volt ini tidak akan direproduksi secara akurat sehingga penguat kelas B tidak cocok untuk aplikasi penguat audio presisi.
Untuk mengatasi distorsi zero-crossing ini (juga dikenal sebagai Crossover Distortion) amplifier kelas AB dikembangkan.
Amplifier Kelas AB
Seperti namanya, Penguat Kelas AB adalah kombinasi dari penguat tipe “Kelas A” dan “Kelas B” yang telah kita lihat di atas. Klasifikasi penguat AB saat ini merupakan salah satu jenis desain penguat daya audio yang paling umum digunakan. Penguat kelas AB adalah variasi dari penguat kelas B seperti dijelaskan di atas, kecuali bahwa kedua perangkat diizinkan untuk melakukan pada waktu yang sama di sekitar titik persilangan bentuk gelombang yang menghilangkan masalah distorsi persilangan dari penguat kelas B sebelumnya.
Kedua transistor memiliki tegangan bias yang sangat kecil, biasanya pada 5 hingga 10% dari arus diam untuk membiaskan transistor tepat di atas titik potongnya. Kemudian perangkat penghantar, baik bipolar FET, akan "ON" selama lebih dari satu setengah siklus, tetapi jauh lebih sedikit dari satu siklus penuh sinyal input. Oleh karena itu, dalam desain penguat kelas AB masing-masing transistor push-pull melakukan sedikit lebih dari setengah siklus konduksi di kelas B, tetapi jauh lebih sedikit daripada siklus penuh konduksi kelas A.
Dengan kata lain, sudut konduksi penguat kelas AB berada di antara 180o dan 360o bergantung pada titik bias yang dipilih seperti yang ditunjukkan.
Amplifier Kelas AB
Keuntungan dari tegangan bias kecil ini, yang disediakan oleh dioda atau resistor seri, adalah bahwa distorsi crossover yang diciptakan oleh karakteristik penguat kelas B dapat diatasi, tanpa inefisiensi desain penguat kelas A. Jadi penguat kelas AB adalah kompromi yang baik antara kelas A dan kelas B dalam hal efisiensi dan linieritas, dengan efisiensi konversi mencapai sekitar 50% sampai 60%.
Amplifier Kelas C
Desain Penguat Kelas C memiliki efisiensi terbesar tetapi linieritas paling buruk dari kelas penguat yang disebutkan di sini. Kelas sebelumnya, A, B dan AB dianggap sebagai penguat linier, karena amplitudo dan fase sinyal keluaran berhubungan linier dengan amplitudo dan fase sinyal masukan.
Namun, penguat kelas C sangat bias sehingga arus keluaran adalah nol untuk lebih dari setengah siklus sinyal sinusoidal masukan dengan transistor idling pada titik potongnya. Dengan kata lain, sudut konduksi transistor secara signifikan kurang dari 180 derajat, dan umumnya sekitar 90 derajat.
Sementara bentuk bias transistor ini memberikan efisiensi yang jauh lebih baik sekitar 80% pada amplifier, ini menimbulkan distorsi yang sangat berat pada sinyal output. Oleh karena itu, amplifier kelas C tidak cocok digunakan sebagai amplifier audio.
Amplifier Kelas C
Karena distorsi audio yang berat, amplifier kelas C biasanya digunakan dalam osilator gelombang sinus frekuensi tinggi dan beberapa jenis amplifier frekuensi radio, di mana pulsa arus yang dihasilkan pada output amplifier dapat diubah menjadi gelombang sinus lengkap dari frekuensi tertentu oleh penggunaan rangkaian resonansi LC pada rangkaian kolektornya.
Ringkasan Kelas Amplifier
Kemudian kita telah melihat bahwa titik operasi DC diam (titik Q) dari penguat menentukan klasifikasi penguat. Dengan menyetel posisi titik Q pada setengah jalan pada garis beban kurva karakteristik amplifier, amplifier akan beroperasi sebagai amplifier kelas A. Dengan memindahkan titik Q ke bawah, garis beban akan mengubah amplifier menjadi amplifier kelas AB, B, atau C.
Maka kelas operasi penguat sehubungan dengan titik operasi DC-nya dapat diberikan sebagai:
Kelas Amplifier dan Efisiensi
Selain amplifier audio, ada sejumlah Kelas Amplifier efisiensi tinggi yang berkaitan dengan desain amplifier switching yang menggunakan teknik switching berbeda untuk mengurangi kehilangan daya dan meningkatkan efisiensi. Beberapa desain kelas amplifier yang tercantum di bawah ini menggunakan resonator RLC atau beberapa tegangan catu daya untuk mengurangi kehilangan daya, atau merupakan amplifier tipe DSP (pemrosesan sinyal digital) digital yang menggunakan teknik switching modulasi lebar pulsa (PWM).
Kelas Amplifier Umum Lainnya
Penguat Kelas D – Penguat audio Kelas D pada dasarnya adalah penguat switching non-linear atau penguat PWM. Penguat kelas-D secara teoritis dapat mencapai efisiensi 100%, karena tidak ada periode selama siklus dimana bentuk gelombang tegangan dan arus tumpang tindih karena arus ditarik hanya melalui transistor yang aktif.
Amplifier Kelas F
Amplifier kelas-F meningkatkan efisiensi dan keluaran dengan menggunakan resonator harmonik di jaringan keluaran untuk membentuk bentuk gelombang keluaran menjadi gelombang persegi. Amplifier Kelas-F mampu menghasilkan efisiensi tinggi lebih dari 90% jika penyetelan harmonik tak terbatas digunakan.
Amplifier Kelas G
Kelas G menawarkan penyempurnaan pada desain penguat AB kelas dasar. Kelas G menggunakan beberapa rel catu daya dari berbagai tegangan dan secara otomatis beralih di antara rel catu ini saat sinyal input berubah. Pergantian konstan ini mengurangi konsumsi daya rata-rata, dan karena itu kehilangan daya yang disebabkan oleh panas yang terbuang.
Amplifier Kelas I
Amplifier kelas I memiliki dua set perangkat switching output komplementer yang disusun dalam konfigurasi push-pull paralel dengan kedua set perangkat switching mengambil sampel bentuk gelombang input yang sama. Satu perangkat mengalihkan setengah positif dari bentuk gelombang, sementara yang lain mengalihkan setengah negatif yang mirip dengan penguat kelas B. Tanpa sinyal input yang diterapkan, atau ketika sinyal mencapai titik persimpangan nol, perangkat switching keduanya ON dan OFF secara bersamaan dengan siklus kerja 50% PWM yang membatalkan sinyal frekuensi tinggi.
Untuk menghasilkan setengah positif dari sinyal keluaran, keluaran peranti pensaklaran positif dinaikkan dalam siklus kerja sedangkan peranti pensaklaran negatif diturunkan sama dan sebaliknya. Dua arus sinyal switching dikatakan interleaved pada output, memberikan penguat kelas I bernama: "penguat PWM interleaved" yang beroperasi pada frekuensi switching lebih dari 250kHz.
Amplifier Kelas S
Amplifier daya kelas S adalah penguat mode switching non-linier yang serupa dalam pengoperasiannya dengan penguat kelas D. Penguat kelas S mengubah sinyal input analog menjadi pulsa gelombang persegi digital oleh modulator delta-sigma, dan memperkuatnya untuk meningkatkan daya keluaran sebelum akhirnya didemodulasi oleh filter band pass. Karena sinyal digital penguat switching ini selalu "ON" atau "OFF" sepenuhnya (secara teoritis nol disipasi daya), efisiensi mencapai 100% dimungkinkan.
Amplifier Kelas T
Amplifier kelas T adalah jenis lain dari desain penguat switching digital. Penguat kelas T mulai menjadi lebih populer akhir-akhir ini sebagai desain penguat audio karena keberadaan chip pemrosesan sinyal digital (DSP) dan penguat suara surround multi-saluran karena mengubah sinyal analog menjadi sinyal termodulasi lebar pulsa digital (PWM) untuk amplifikasi meningkatkan efisiensi amplifier. Desain penguat kelas T menggabungkan tingkat sinyal distorsi rendah dari penguat kelas AB dan efisiensi daya penguat kelas D.
Kita telah melihat di sini sejumlah klasifikasi penguat mulai dari penguat daya linier hingga penguat switching non-linier, dan telah melihat bagaimana kelas penguat berbeda di sepanjang garis beban penguat. Amplifier kelas AB, B dan C dapat didefinisikan dalam sudut konduksi, θ sebagai berikut