Class Amplifier

​
Để phân biệt các đặc tính cũng như các thông số hay phương thức hoạt động của amplifier, ta dùng thuật ngữ “class”. Amplifier Class đại diện cho số lượng tín hiệu analog output thay đổi trong mạch amplifier trên một chu kỳ hoạt động theo tín hiệu input hình sin. Amplifier có các chuẩn hoạt động hoàn toàn tuyến tính với hiệu quả thấp (sử dụng trong các hệ thống khuếch đại tín hiệu có độ trung thực cao), hay hoàn toàn phi tuyến tính với hiệu quả rất cao (với tín hiệu được tái tạo có độ chính xác không quá cao). Các chuẩn còn lại có phương pháp hoạt động phần nào gần giống với cả hai chuẩn trên.

Đầu tiên ta nên tìm hiểu một vài khái niệm cơ bản:

• Công suất: Công suất ampli phát ra được tính theo đơn vị RMS (Root Mean Square). Bạn cần phân biệt công suất đỉnh PMPO (Peak Music Power Output) lớn hơn rất nhiều so với công suất hoạt động của ampli. PMPO là một thuật ngữ mà các nhà sản xuất thiết bị âm thanh dùng để chỉ công suất âm thanh phát ra lớn nhất mà hệ thống của họ có thể đạt được trong một thời gian rất ngắn, trong những điều kiện lý tưởng của phòng thí nghiệm nhưng không đạt được trong thực tế sử dụng. Một số nhà sản xuất thường quảng cáo rằng công suất PMPO rất lớn lên tới hàng nghìn W để thu hút người dùng ít biết về ampli. Nói chung PMPO là một thuật ngữ phóng đại, không có ý nghĩa gì ngoài việc quảng cáo, marketing. Vì thế bạn chỉ cần quan tâm vào công suất RMS khi muốn mua một loại ampli nào đó.
• Độ lợi công suất (Gain): Đây là tỷ số được tính theo hàm logarit giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra của ampli có đơn vị là dB. Độ lợi cho biết khả năng khuyếch đại của amply sẽ lớn như thế nào khi trình diễn âm thanh.
• Đáp ứng tần số (Frequency Response) cho phép của amply: Khoảng tần số tín hiệu đầu vào mà amply hoạt động ổn định tuyến tính. Thông thường các amply tốt có đáp ứng tần số trong từ 20Hz đến 20kHz là khoảng âm thanh tai người có thể cảm nhận được. Đáp ứng tần số càng “phẳng” sẽ thể hiện khả năng tái tạo âm thanh càng tốt.
• Hiệu suất: Khả năng đưa ra công suất âm thanh theo công suất đầu vào của amply. Khi cung cấp công suất điện cho amply, chỉ một phần được khuyếch đại ra công suất âm thanh. Các amply có thiết kế nguyên lý class A có hiệu suất thấp từ 10% đến 25% (điều đó có nghĩa khi bạn cung cấp 100W điện tới ampli chỉ có 25W công suất âm thanh được phát ra),class AB có hiệu suất 35 đến 50%, còn class D có hiệu suất 85-90%.
• THD: So sánh tổng hài các tần số giữa tín hiệu đầu vào và âm thanh đầu ra sau khi qua amply. Các hài bậc cao sẽ gây méo và làm giảm tính trung thực của âm thanh. Vì vậy THD càng thấp thì amply càng tái tạo âm thanh trung thực, thông thường THD phải nhỏ hơn 0,5%.
• Trở kháng ra: Trở kháng ra của ngõ amply ra loa. Khi ghép nối amply phải cùng trở kháng của loa, thông thường khi trở kháng loa giảm một nửa thì công suất amply cần tăng gấp đôi nếu ghép nối lệch trở kháng.

Amplifier Class A

Class A: Thiết kế cho hiệu suât thấp chỉ khoảng 25% (tức là nếu 100W công suất cung cấp đầu vào chỉ có 25W công suất phát ra ở loa, 75W bị tổn hao dưới dạng tỏa nhiệt trên sò hoặc đèn điện tử trong khi đó hiệu suất Class AB khoảng 35 đến 50% (100W đầu vào cho ra 50W đầu ra loa). Do đó kích thước và chi phí về vấn đề tản nhiệt cho sò công suất của Class A cũng vì thế mà lớn hơn so với Class AB. Điểm làm việc nằm ngay tại trung điểm của đặc tuyến tải. Tại trung điểm đặc tuyến tải các tín hiệu của ngõ vào sẽ được khuyếch đại 100% và chỉ cần một sò là đảm nhiệm được công việc này.

Ưu điểm của ampli Class A là không có miền phi tuyến (nonlinearities) và méo xuyên tâm (cross distortion, turn on/off delay) do chỉ một sò duy nhất hoạt động. Âm thanh các ampli Class A theo đó được đánh giá là ngọt ngào, trung thực. Một điểm cần lưu ý thêm là các ampli có tên gọi “thuần” A (pure ClassA) sẽ hoạt động hoàn toàn ở chế độ A. Cần chú ý một số ampli có quảng cáo Class A nhưng thực chất chỉ hoạt động ở chế độ A ở miền công suất thấp, khi ampli bị yêu cầu hoạt động cho ra công suất lớn điểm làm việc sẽ chuyển sang chế độ AB.

Amplifier Class A sử dụng một sò công suất (Bipolar, FET, hay IGBT) kết nối chung trong hệ thống phát cho cả hai nửa của dạng sóng, sò công suất sẽ luôn luôn có dòng điện chạy qua ngay cả khi không có tín hiệu chính nào. Do đó phần output sẽ không được tải đầy đủ cho dù sử dụng Bipolar, MOSFET hay IGBT, nó sẽ mang một mức bias Q-point ở khoảng giữa dòng tải. Sò công suất này không bao giờ tắt, đây là một trong những nhược điểm của Amplifier Class A.

Để đạt được độ tuyến tính cao và gain, phần output của Amplifier Class A lúc nào cũng phải mang giá trị bias MỞ (hoạt động). Một amplifier được xếp vào class A khi dòng tín hiệu nghỉ ở phần output có giá trị bằng hoặc lớn hơn dòng tải cực đại (ví dụ: Loa) cần thiết để tạo ra tín hiệu output lớn nhất

Do Amplifier Class A hoạt động trong phần tuyến tính, điện áp bias của sò công suất DC phải được bảo đảm ổn định để duy trì hoạt động hiệu quả cũng như mức sai số thấp. Tuy nhiên vì tầng output luôn luôn ở trạng thái MỞ, nguồn điện lúc nào cũng đi qua nó nên sẽ xảy ra hiện tượng sử dụng điện liên tục trong amplifier. Sự tốn điện liên tục này tạo ra mức nhiệt cao và vì hiệu quả chỉ khoảng 30% nên amplifier class A không có khả năng làm việc với các hệ thống khuếch đại công suất cao. Mức sử dụng điện liên tục của amplifier class A cũng đòi hỏi một bộ nguồn mạnh và được lọc điện ổn định, tránh các tiếng ồn khó chịu phát ra từ amplifier khi dòng điện trồi sụt.

Amplifier Class B

Có hiệu suất vào khoảng 70 – 80%, tức là tiêu thụ 100W điện sẽ đưa ra công suất ra loa tối đa 80W, 20% năng lượng còn lại bị tiêu tán dưới dạng nhiệt nên khi chạy rất mát. Nhưng class B có độ méo lớn và âm thanh không hay nên ít được dùng trong các mạch audio cao cấp.

Amplifier Class B được thiết kế nhằm triệt tiêu điểm yếu về hiệu quả làm việc và nhiệt lượng của amplifier Class A. Amplifier Class B sử dụng hai sò công suất Bipolar hay FET cho mỗi nửa dạng sóng với giai đoạn output được hiệu chính theo dạng “push-pull” (PP), mỗi sò công suất sẽ khuếch đại một nửa dạng sóng output.

Trong amplifier Class B không có dòng DC bias vì dòng nghỉ của nó là 0, do đó công suất DC của nó rất nhỏ giúp cung cấp mức hiệu năng cao hơn nhiều so với amplifier Class A.

Khi tín hiệu input có giá trị dương, sò công suất bias dương sẽ hoạt động còn sò công suất bias âm tắt. Ngược lại khi sò công suất bias âm hoạt động thì sò công suất bias dương tắt, tạo ra phần giá trị âm của tín hiệu. Điều này chứng minh rằng mỗi sò công suất chỉ tạo ra một nửa dạng sóng. Mỗi con sẽ hoạt động trong phần 180 độ của dạng sóng output với thời gian tương ứng nhau, tạo ra dạng sóng output tuyến tính hoàn chỉnh liên tục.

Đây là thiết kế PP và có mức hiệu năng cao hơn so với amplifier Class A vào khoảng 50%, tuy nhiên nó cũng tạo ra mức sai số đáng kể trong phần tiếp xúc của dạng sóng vì điện áp input của sò công suất chỉ nằm trong khoảng -0.7V to +0.7V.

Sò công suất output của amplifier Class B sẽ không hoạt động cho đến khi đã nạp đủ điện. Điều này làm cho phần dạng sóng có giá trị trong khoảng 0.7V sẽ được tạo ra một cách kém chính xác. Vì thế amplifier Class B không được sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao.

Amplifier Class AB

Thiết kế đẩy-kéo (push-pull) của class AB có hiệu suất cao nhằm cho công suất ra loa lớn. Đây là thiết kế “lai” giữa Class A và Class B với phương thức hoạt động được cải tiến. Hai sò công suất trong amplifier Class AB sẽ hoạt động cùng lúc, triệt tiêu mức sai số tín hiệu như ta thấy trong Class B. Hai sò công suất trong amplifier Class AB có mức bias điện áp rất nhỏ, khoảng 5% đến 10% giá trị của dòng nghỉ cung cấp cho sò công suất. Vấn đề là ở chỗ các ampli đẩy-kéo có điểm làm việc tại khu vực ngưng (cutoff) của đường đặc tuyến tải. Tại điểm làm việc cutoff này chỉ 50% tín hiệu ngõ vào được khuyếch đại, chính vì vậy người ta phải dùng 2 sò công suất hoạt động, một sò sẽ khuyếch đại phần tín hiệu dương và một sò khuyếch đại phần tín hiệu âm (đẩy-kéo), vì vậy có tên gọi là Push-Pull. Class AB sẽ có mức làm việc cao hơn so với chỉ nửa chu kỳ của Class B, nhưng lại ít hơn nhiều so với toàn chu kỳ của Class A.

Ưu điểm của điện áp bias thấp là mức sai số sẽ được giảm thiểu so với Class B và hiệu năng cũng được cải thiện so với Class A. Hiệu năng của amplifier Class AB vào khoảng 50% đến 60%. Âm thanh của Class AB Push-Pull theo đánh giá chung là có không gian rộng, hoành tráng và độ động tốt.

Amplifier Class C

Thiết kế Amplifier Class C cung cấp hiệu năng cao nhất với độ tuyến tính thấp nhất. Class C có mức bias rất lớn nên dòng output của nó mang giá trị 0 trong hơn nửa chu kỳ của tín hiệu input hình sin với sò công suất ở trạng thái ngắt điện. Phần hoạt động của sò công suất Amplifier Class C chỉ trong khoảng 90 độ.

Sò công suất có mức bias cao cung cấp hiệu năng làm việc ấn tượng (khoảng 80%) tuy nhiên giá trị sai số cũng rất cao. Vì thế Amplifier Class C không được dùng trong âm thanh.

Amplifier Class C thường được sử dụng trong các thiết bị truyền sóng radio do đặc thù mạch LC của các thiết bị thu.

Các loại amplifier và hiệu năng

Ngoài các thiết kế amplifier bên trên, chúng ta còn nhiều loại amplifier với các kỹ thuật switching khác nhau để tăng hiệu năng và giảm mức tiêu hao năng lượng. Một vài loại amplifier sử dụng bộ cộng hưởng RLC hay dùng nhiều bộ nguồn áp để giảm tiêu hao điện năng, hoặc các amplifier dạng DSP (digital signal processing – bộ phân tích tín hiệu kỹ thuật số) với thiết kế switching dạng PWM (pulse width modulation – điều biến xung rộng).

Các chuẩn amplifier khác

• Class D - Là một thiết kế amplifier switching phi tuyến tính (hay amplifier PWM). Amply class D đạt hiệu suất rất cao, trên 80% và có thể đạt tới 97% ở mức đỉnh. Điều này có nghĩa khi chúng ta cấp điện năng 100W thì công suất âm thanh có được là 97W. Vì vậy lượng tổn hao trên tầng khuếch đại là cực ít (trong trường hợp này là 3W), điều này lý giải tại sao với class D thì không cần lượng nhôm tản nhiệt quá lớn, trọng lượng máy nhẹ.
• Class F - Class F dùng bộ cộng hưởng để nắn dòng sóng âm, thành một dạng sóng vuông, giúp cải thiện hiệu năng và output. Class F có hiệu năng trên 90% khi sử dụng chung với thiết lập điều hòa âm vô hạn.
• Class G - Class G là cải tiến của thiết kế AB cơ bản. Với thiết kế nhiều dòng áp với các điện áp khác nhau, amplifier Class G chuyển đổi liên tục giữa các dòng áp này để tiết kiệm điện và hạn chế giải tỏa nhiệt.
• Class I - Class I được thiết kế với hai bộ switch output được đặt song song theo chuẩn PP và cùng làm việc trên dạng sóng input. Một bộ switch sẽ làm việc với phần sóng dương trong khi bộ switch còn lại sẽ làm việc với phần sóng âm (tương đương Class B). Khi không có tín hiệu input, hai bộ switch sẽ thay phiên nhau làm việc với chu kỳ PWM 50% để triệt tiêu các tần số cao. Amplifier Class I còn được gọi là “amplifier PWM xen kẽ” do đặc thù hoạt động xen kẽ của hai dòng tín hiệu từ switch đi đến output (với mức cao hơn 250kHz).
• Class S - Đây là thiết kế switching phi tuyến tính gần giống với Class D. Amplifier Class S chuyển đổi tín hiệu input analog thành các xung nhịp vuông kỹ thuật số qua một điều biến delta-sigma, sau đó khuếch đại lên để tăng công suất output trước khi giảm điều biến bằng một bộ lọc band-pass. Do tín hiệu kỹ thuật số chỉ có giá trị “MỞ” hoặc “TẮT”, hiệu năng của Class S có thể đạt mức 100%.
• Class T - Đây cũng là một dạng switching amplifier kỹ thuật số. Class T có thiết kế với chip DSP và surround đa kênh có khả năng chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu digital PWM để khuếch đại hiệu quả hơn. Amplifier Class T có mức sai số thấp như Class AB và hiệu năng tuyệt vời của Class D.