Pengertian Amplifier Class AB,Bias dan Cara kerjanya

{tocify} $title={Daftar Isi}

Tujuan dari setiap amplifier adalah untuk menghasilkan keluaran yang mengikuti karakteristik sinyal masukan tetapi dengan Output besar untuk mensuplai kebutuhan beban speaker yang terhubung dengannya.

Kita telah melihat bahwa keluaran daya dari sebuah penguat adalah produk dari tegangan dan arus, (P = V*I) diterapkan pada beban, sedangkan masukan daya adalah produk dari tegangan dan arus DC yang diambil dari catu daya.

Meskipun amplifikasi penguat Class A, (di mana transistor keluaran melakukan 100% dari waktu) bisa tinggi, efisiensi konversi dari catu daya DC ke keluaran daya AC umumnya buruk pada kurang dari 50%.

Namun jika kita memodifikasi rangkaian penguat Kelas A untuk beroperasi dalam mode Kelas B, (di mana setiap transistor hanya melakukan 50% dari waktu) arus kolektor mengalir di setiap transistor hanya 180o siklus. Keuntungannya di sini adalah efisiensi konversi DC-ke-AC jauh lebih tinggi sekitar 75%, tetapi konfigurasi Kelas B ini menghasilkan distorsi crossover dari sinyal keluaran yang mungkin tidak dapat diterima.

Salah satu cara untuk menghasilkan penguat dengan keluaran efisiensi tinggi konfigurasi Kelas B disertai distorsi rendah konfigurasi Kelas A adalah dengan membuat rangkaian penguat yang merupakan gabungan dari dua kelas sebelumnya sehingga menghasilkan rangkaian penguat jenis baru yang disebut sebuah Penguat Kelas AB.

Kemudian tahap keluaran penguat Kelas AB menggabungkan keunggulan penguat Kelas A dan penguat Kelas B sambil meminimalkan masalah efisiensi rendah dan distorsi yang terkait dengannya.

Seperti yang kami katakan di atas, Penguat Kelas AB adalah kombinasi Kelas A dan B untuk output daya kecil, amplifier beroperasi sebagai penguat kelas A tetapi berubah menjadi penguat kelas B untuk output arus yang lebih besar. Tindakan ini dicapai dengan pra-bias dua transistor di tahap keluaran amplifier.

Dengan demikian setiap transistor akan berjalan antara 180°dan 360° tergantung pada jumlah keluaran saat ini dan pra-bias. Dengan demikian tahap keluaran penguat beroperasi sebagai penguat Kelas AB.

Pertama mari kita lihat perbandingan sinyal keluaran untuk kelas operasi penguat yang berbeda.

Perbandingan amplifier Amplifier yang Berbeda

Maka kelas penguat selalu didefinisikan sebagai berikut:

Kelas A: – Transistor keluaran tunggal amplifier bekerja selama 360° penuh dari siklus bentuk gelombang masukan.

Kelas B: – Penguat dua transistor keluaran hanya menghantarkan setengah, yaitu 180° dari bentuk gelombang masukan.

Kelas AB: – Penguat dua transistor keluaran berjalan di suatu tempat antara 180°dan 360° dari bentuk gelombang input.

Operasi Amplifier Kelas A

Untuk operasi amplifier Class A, titik-Q transistor pensaklaran terletak di dekat pusat garis beban karakteristik keluaran transistor dan di dalam wilayah linier. Hal ini memungkinkan transistor untuk bekerja sepenuhnya 360° sehingga sinyal output bervariasi selama siklus penuh sinyal input.

Keuntungan utama dari Kelas A adalah bahwa sinyal keluaran akan selalu merupakan reproduksi yang tepat dari sinyal masukan yang mengurangi distorsi. Namun efisiensinya buruk, karena untuk membiaskan transistor di tengah garis beban harus selalu ada arus diam DC yang sesuai yang mengalir melalui transistor pensaklaran bahkan jika tidak ada sinyal input untuk diperkuat.

Operasi amplifier Class B

Untuk operasi amplifier Class B, dua transistor switching gratis digunakan dengan titik-Q (yaitu titik biasnya) dari setiap transistor yang terletak pada titik potongnya.

Hal ini memungkinkan satu transistor untuk memperkuat sinyal lebih dari satu setengah dari bentuk gelombang input, sedangkan transistor lainnya menguatkan setengah lainnya. Kedua bagian yang diperkuat ini kemudian digabungkan bersama pada beban untuk menghasilkan satu siklus bentuk gelombang penuh. Pasangan gratis NPN-PNP ini juga dikenal sebagai konfigurasi push-pull.

Karena bias cut-off, arus diam adalah nol ketika tidak ada sinyal input, oleh karena itu tidak ada daya yang hilang atau terbuang ketika transistor dalam kondisi diam, meningkatkan efisiensi keseluruhan penguat Kelas B sehubungan dengan Kelas A .

Namun, karena amplifier Class B dibias sehingga arus keluaran mengalir melalui setiap transistor hanya setengah dari siklus masukan, oleh karena itu bentuk gelombang keluaran bukan merupakan replika yang tepat dari bentuk gelombang masukan karena sinyal keluaran terdistorsi. Distorsi ini terjadi pada setiap zero-crossing dari sinyal input yang menghasilkan apa yang umumnya disebut distorsi cross-over karena kedua transistor beralih "ON" di antara mereka sendiri.

Masalah distorsi ini dapat dengan mudah diatasi dengan menempatkan titik bias transistor sedikit di atas cut-off. Dengan membiaskan transistor sedikit di atas titik potongnya tetapi jauh di bawah titik Q pusat penguat kelas A, kita dapat membuat rangkaian penguat Kelas AB. Tujuan dasar dari penguat Kelas AB adalah untuk mempertahankan konfigurasi dasar Kelas B sementara pada saat yang sama meningkatkan linieritasnya dengan membiaskan setiap transistor pensaklaran sedikit di atas ambang batas.

Membias Amplifier Class AB

Jadi bagaimana kita melakukan ini. amplifier Kelas AB dapat bekerja dengan tahap push-pull Kelas B standar dengan membiaskan kedua transistor pengalih menjadi sedikit konduksi, bahkan ketika tidak ada sinyal input. Pengaturan bias kecil ini memastikan bahwa kedua transistor melakukan secara bersamaan selama bagian yang sangat kecil dari bentuk gelombang input lebih dari 50 persen dari siklus input, tetapi kurang dari 100 persen.

Pita mati 0,6 hingga 0,7V (satu penurunan voltase dioda maju) yang menghasilkan efek distorsi crossover pada amplifier Kelas B sangat berkurang dengan penggunaan bias yang sesuai. Pra-bias perangkat transistor dapat dicapai dalam beberapa cara yang berbeda baik menggunakan bias tegangan preset, jaringan pembagi tegangan, atau dengan menggunakan pengaturan dioda terhubung seri.

Bias Tegangan Amplifier Class AB

Di sini bias transistor dicapai dengan menggunakan tegangan bias tetap yang sesuai yang diterapkan pada basis TR1 dan TR2. Kemudian ada daerah di mana kedua transistor berjalan dan arus kolektor diam kecil yang mengalir melalui TR1 bergabung dengan arus kolektor diam kecil yang mengalir melalui TR2 dan ke dalam beban.

Saat sinyal input menjadi positif, tegangan di dasar TR1 meningkat menghasilkan output positif dengan jumlah yang sama yang meningkatkan arus kolektor yang mengalir melalui arus sumber TR1 ke beban, RL. Namun, karena tegangan antara dua basis adalah tetap dan konstan, setiap peningkatan konduksi TR1 akan menyebabkan penurunan konduksi TR2 yang sama dan berlawanan selama setengah siklus positif.

Akibatnya, transistor TR2 akhirnya mati meninggalkan transistor bias maju, TR1 untuk memasok semua penguatan arus ke beban. Demikian juga, untuk setengah negatif dari tegangan input terjadi sebaliknya. Artinya, TR2 melakukan penenggelaman arus beban sementara TR1 mati karena sinyal input menjadi lebih negatif.

Kemudian kita dapat melihat bahwa ketika tegangan input, VIN adalah nol, kedua transistor sedikit menghantarkan karena bias tegangannya, tetapi ketika tegangan input menjadi lebih positif atau negatif, salah satu dari dua transistor melakukan lebih baik tenggelamnya sumber arus beban .

Karena peralihan antara dua transistor terjadi hampir seketika dan mulus, distorsi crossover yang mempengaruhi konfigurasi Kelas B sangat berkurang. Namun, bias yang salah dapat menyebabkan lonjakan distorsi crossover yang tajam saat kedua transistor beralih.

Penggunaan tegangan bias tetap memungkinkan setiap transistor untuk melakukan lebih dari setengah siklus input, (operasi Kelas AB). Namun, sangat tidak praktis untuk memiliki baterai ekstra dalam desain tahap keluaran amplifier. Salah satu cara yang sangat sederhana dan mudah untuk menghasilkan dua tegangan bias tetap untuk mengatur titik-Q yang stabil di dekat pemutus transistor, adalah dengan menggunakan jaringan pembagi tegangan resistif.

Bias Resistor amplifier class AB

Ketika arus melewati resistor, penurunan tegangan dikembangkan melintasi resistor seperti yang didefinisikan oleh hukum Ohm. Jadi dengan menempatkan dua atau lebih resistor secara seri pada tegangan suplai kita dapat membuat jaringan pembagi tegangan yang menghasilkan satu set tegangan tetap pada nilai yang kita pilih.

Rangkaian dasarnya mirip dengan rangkaian bias tegangan di atas di mana transistor, TR1 dan TR2 melakukan selama setengah siklus yang berlawanan dari bentuk gelombang input. Artinya, ketika VIN dalam positif, TR1 berlaku dan ketika VIN negatif, TR2 berlaku.

Keempat resistansi R1 ke R4 dihubungkan melintasi tegangan suplai Vcc untuk memberikan bias resistif yang diperlukan. Kedua resistor, R1 dan R4 dipilih untuk menyetel titik-Q sedikit di atas batas dengan nilai VBE yang benar disetel sekitar 0,6V sehingga tegangan turun di seluruh jaringan resistif membawa dasar TR1 menjadi sekitar 0,6V, dan TR2 hingga sekitar –0.6V.

Kemudian penurunan tegangan total pada resistor bias R2 dan R3 kira-kira 1,2 volt, yang sedikit di bawah nilai yang diperlukan untuk mengaktifkan setiap transistor sepenuhnya. Dengan membiaskan transistor tepat di atas cut-off, nilai arus kolektor diam, ICQ, harus nol. Selain itu, karena kedua transistor pensaklaran secara efektif dihubungkan secara seri di seluruh suplai, penurunan voltase VCEQ di setiap transistor akan menjadi sekitar setengah Vcc.

Sementara bias resistif penguat Kelas AB bekerja secara teori, arus kolektor transistor sangat sensitif terhadap perubahan tegangan bias basis, VBE. Juga, titik potong dari dua transistor komplementer mungkin tidak sama, jadi menemukan kombinasi resistor yang benar dalam jaringan pembagi tegangan mungkin merepotkan. Salah satu cara untuk mengatasinya adalah dengan menggunakan resistor yang dapat diatur untuk mengatur titik-Q yang benar seperti yang ditunjukkan.

Bias Amplifier yang Dapat Disesuaikan

Resistor yang dapat disesuaikan, atau potensiometer dapat digunakan untuk membiaskan kedua transistor ke ambang konduksi. Kemudian transistor TR1 dan TR2 dibias melalui RB1-VR1-RB2 sehingga outputnya seimbang dan arus diam nol mengalir ke beban.

Sinyal input yang diterapkan melalui kapasitor C1 dan C2 ditumpangkan ke tegangan bias dan diterapkan ke basis kedua transistor. Perhatikan bahwa kedua sinyal yang diterapkan ke setiap basis memiliki frekuensi dan amplitudo yang sama seperti yang berasal dari VIN.

Keuntungan dari pengaturan bias yang dapat disesuaikan ini adalah bahwa rangkaian penguat dasar tidak memerlukan penggunaan transistor gratis dengan karakteristik listrik yang sangat cocok atau dan rasio resistor yang tepat dalam jaringan pembagi tegangan karena potensiometer dapat disesuaikan untuk mengimbanginya.

Karena resistor adalah perangkat pasif yang mengubah daya listrik menjadi panas karena peringkat dayanya, bias resistif dari penguat Kelas AB, baik tetap atau dapat disesuaikan, bisa sangat sensitif terhadap perubahan suhu. Setiap perubahan kecil dalam suhu operasi resistor bias (atau transistor) dapat mempengaruhi nilainya menghasilkan perubahan yang tidak diinginkan pada arus kolektor diam dari setiap transistor. Salah satu cara untuk mengatasi masalah terkait suhu ini adalah dengan mengganti resistor dengan dioda menggunakan biasing dioda.

Bias Dioda amplifier Class AB

Sementara penggunaan resistor bias mungkin tidak memecahkan masalah suhu, salah satu cara untuk mengkompensasi variasi suhu terkait dalam tegangan basis-emitor, (VBE) adalah dengan menggunakan sepasang dioda bias maju normal dalam pengaturan bias amplifier seperti yang ditunjukkan.

Arus konstan kecil mengalir melalui rangkaian seri R1-D1-D2-R2, menghasilkan penurunan tegangan yang simetris di kedua sisi input. Tanpa tegangan sinyal input yang diterapkan, titik antara dua dioda adalah nol volt. Saat arus mengalir melalui rantai, ada penurunan tegangan bias maju sekitar 0,7V melintasi dioda yang diterapkan pada sambungan basis-emitor dari transistor switching.

Oleh karena itu, tegangan jatuh pada dioda, membias basis transistor TR1 menjadi sekitar 0,7 volt, dan basis transistor TR2 menjadi sekitar -0,7 volt. Dengan demikian kedua dioda silikon memberikan penurunan tegangan konstan sekitar 1,4 volt antara dua basis biasing mereka di atas cut-off.

Saat suhu rangkaian naik, begitu juga suhu dioda karena terletak di sebelah transistor. Tegangan melintasi persimpangan PN dioda dengan demikian menurun mengalihkan beberapa arus basis transistor menstabilkan arus kolektor transistor.

Jika karakteristik listrik dioda sangat cocok dengan transistor basis-emitor junction, arus yang mengalir di dioda dan arus di transistor akan sama menciptakan apa yang disebut cermin arus. Efek dari cermin arus ini mengkompensasi variasi suhu yang menghasilkan operasi Kelas AB yang diperlukan sehingga menghilangkan distorsi crossover.

Dalam praktiknya, biasing dioda mudah dicapai pada amplifier sirkuit terintegrasi modern karena dioda dan transistor switching dibuat pada chip yang sama, seperti pada IC penguat daya audio LM386 yang populer. Ini berarti bahwa keduanya memiliki kurva karakteristik yang identik pada perubahan suhu yang luas yang menyediakan stabilisasi termal dari arus diam.

Bias dari tahap keluaran penguat Class AB umumnya disesuaikan agar sesuai dengan aplikasi penguat tertentu. Arus diam amplifier diatur ke nol untuk meminimalkan konsumsi daya, seperti dalam operasi Kelas B, atau disesuaikan untuk arus diam yang sangat kecil untuk mengalir yang meminimalkan distorsi crossover yang menghasilkan operasi penguat Kelas AB yang sebenarnya.

Dalam contoh biasing Class AB di atas, sinyal input digabungkan langsung ke basis transistor switching dengan menggunakan kapasitor. Tetapi kita dapat meningkatkan tingkat keluaran penguat Kelas AB sedikit lebih banyak dengan menambahkan tahap driver emitor-bersama sederhana seperti yang ditunjukkan.

Driver Amplifier Class AB

Transistor TR3 bertindak sebagai sumber arus yang mengatur arus bias DC yang diperlukan yang mengalir melalui dioda. Ini menetapkan tegangan output diam sebagai Vcc/2. Saat sinyal input menggerakkan basis TR3, sinyal ini bertindak sebagai tahap penguat yang menggerakkan basis TR1 dan TR2 dengan separuh positif dari siklus input menggerakkan TR1 saat TR2 mati dan separuh negatif dari siklus input menggerakkan TR2 saat TR1 mati, sama seperti sebelumnya.

Seperti kebanyakan rangkaian elektronik, ada banyak cara berbeda untuk merancang tahap keluaran penguat daya karena banyak variasi dan modifikasi dapat dilakukan pada rangkaian keluaran penguat dasar.

Tugas penguat daya adalah memberikan tingkat daya keluaran yang cukup besar (baik arus maupun tegangan) ke beban yang terhubung dengan tingkat efisiensi yang wajar. Ini dapat dicapai dengan mengoperasikan transistor dalam salah satu dari dua mode operasi dasar, Class A atau Class B.

Salah satu cara mengoperasikan penguat dengan tingkat efisiensi yang wajar adalah dengan menggunakan tahap keluaran Kelas B simetris berdasarkan transistor NPN dan PNP komplementer. Dengan tingkat bias maju yang sesuai, dimungkinkan untuk mengurangi distorsi crossover apa pun sebagai akibat dari dua transistor yang keduanya terputus untuk periode singkat setiap siklus, dan seperti yang telah kita lihat di atas, rangkaian seperti itu dikenal sebagai Class AB penguat.

Kemudian menggabungkan semuanya, sekarang kita dapat merancang rangkaian penguat daya Kelas AB sederhana seperti yang ditunjukkan, menghasilkan sekitar satu watt menjadi 16 ohm dengan respons frekuensi sekitar 20Hz hingga 20kHz.

Amplifier Class AB

Ringkasan amplifier Class AB

Kita telah melihat di sini bahwa penguat Kelas AB dibias sehingga arus keluaran mengalir kurang dari satu siklus penuh dari bentuk gelombang input tetapi lebih dari setengah siklus. Implementasi penguat Kelas AB sangat mirip dengan konfigurasi Kelas B standar karena menggunakan dua transistor switching sebagai bagian dari tahap keluaran komplementer dengan masing-masing transistor melakukan setengah siklus berlawanan dari bentuk gelombang input sebelum digabungkan pada beban.

Jadi dengan membiarkan kedua transistor pengalih untuk menghantarkan arus pada waktu yang sama untuk periode yang sangat singkat, bentuk gelombang keluaran selama periode persilangan nol dapat dihaluskan secara substansial untuk mengurangi distorsi persilangan yang terkait dengan desain penguat Kelas B. Maka sudut konduksi lebih besar dari 180° tetapi jauh lebih kecil dari 360°.

Kita juga telah melihat bahwa konfigurasi penguat Kelas AB lebih efisien daripada penguat Kelas A tetapi sedikit kurang efisien daripada konfigurasi Penguat Kelas B karena arus diam yang kecil diperlukan untuk membiaskan transistor tepat di atas cut-off. Namun, penggunaan biasing yang salah dapat menyebabkan lonjakan distorsi crossover yang menghasilkan kondisi yang lebih buruk.

Karena itu, amplifier Class AB adalah salah satu desain amplifier daya audio yang paling disukai karena kombinasi efisiensi yang cukup baik dan output berkualitas tinggi karena memiliki distorsi crossover yang rendah dan linearitas tinggi yang mirip dengan desain amplifier Class A.