Erősítők

Az erősítő egy olyan áramkör, mely a bemeneti jelének felerősített változatát produkálja a kimeneten. Más néven jelerősítő, mely csoportosítása több szempontból is történhet:

Jel típus	Beállítás	Osztály	Üzemfrekvencia
Kis jelű	Közös emitteres kapcsolás	A, B, AB, C, D, E, F, G, H, I, J, K, S, T, …	Egyenáramú (DC)
Nagy jelű	Közös bázisos kapcsolás		Audio (AF)
	Közös kollektoros kapcsolás		Rádió (RF)
			VHF, UHF és SHF sávok

A kis jelű erősítők µV nagyságrendű bemenetet erősítenek, mint például a szenzorokból érkező jelek. A nagy jelű erősítők mV-V nagyságrendű jeleket erősítenek vagy nagy áramfelvételű terhelést vezérelnek a kimeneten, mint például az audio erősítők hangszórói.

Egy ideális erősítőnek három fő paramétere van: bemeneti ellenállás (R_be), nyereség (G), kimenetei ellenállás (R_ki).

A nyereség egy szorzótényező, mely megadja, hogy mennyiszer nagyobb a kimenet a bemenetnél. Kiszámításához egyszerűen el kell osztani a kimenetet a bemenettel. Az erősítő erősíthet feszültséget, áramerősséget, vagy mindkettőt egyszerre, azaz teljesítményt. Ha a bemenő teljesítmény 0.5W, a kimenet pedig 5W, akkor az erősítő nyeresége 10. A nyereséget gyakran decibelben fejezik ki:

Az audio erősítők a nagyjelű erősítők csoportjába tartoznak és teljesítményerősítőknek nevezik őket. A hangszórók meghajtásához szükséges teljesítményt az erősítő a tápforrásából vonja le. Mivel a tápforrás egyenáramú, a teljesítmény átalakítása a váltóáramú audio jel számára veszteséggel jár. Ideális esetben a táp összteljesítménye rákerülhetne a kimenetre, és ekkor az erősítő hatékonysága (η) 1 (vagy 100%) lenne.

\[\mu=\frac{\text{A terhelésre leadott teljesítmény}}{\text{A tápforrásból felvett teljesítmény}}\]

Egy ideális erősítő nyereségét a következők jellemzik:

• konstans marad akkor is, ha a bemenő jel nagysága változik
• konstans marad akkor is, ha a bemenő jel frekvenciája változik
• nem okoz zajt a kimenő jelen, sőt a bemenő zajt is kiszűri
• konstans marad akkor is, ha a környezet hőmérséklete megváltozik
• stabil marad hosszú időn át

Az erősítők osztályok szerinti csoportosítása a kimeneti fokozatok kialakítása és működtetésének módja alapján történik. A működési paraméterek közé tartozik a linearitás, a jelerősítés, a hatékonyság és a teljesítmény, melyek között mindig kompromisszumot kell kötni. Az erősítő osztályok a kimeneti jelet osztályozzák, mely a bemenő szinusz jel egyetlen periódusára vonatkozik. Az erősítés annál jobb, minél inkább a lineáris tartományban dolgozik az erősítő. Gyakorlatilag, az osztályozás a teljesen lineáristól (jó minőségű, de kis hatékonyságú) a nem-lineárisig (gyenge minőségű, de nagy hatékonyságú) terjed. Hogy az erősítő mennyire lineáris, azt a végtranzisztor(ok) munkapontja határozza meg.  A munkapont jele Q (Quiescent) és innen jön az angol kapcsolási rajzokon a tranzisztorok Q-val való jelölése. A tranzisztor ezen a ponton se nem zár, se nem nyit, hanem egy köztes állapotra van előfeszítve.

      A lineáris tartomány és az aktív tartomány a kimeneti karakterisztikán kb. ugyanaz. Gyakorlatilag, amikor a tranzisztor átkapcsol, akkor nem egységugrással vált szakadásból vezetésre, hanem fokozatosan, és ez a szakasz az aktív tartomány. A szakasz egyenes része pedig a lineáris tartomány, ami a transzfer görbén is megfigyelhető:

A munkapont beállításának lényege, hogy a tranzisztor az aktív tartományban működjön, hiszen ekkor funkcionál erősítőként. A következő ábrán egy tranzisztor kimeneti karakterisztikája látható:

A kimenő karakterisztika a bázisáram (I_B) görbéit tartalmazza a kollektoráram (I_C) és a kollektor-emitter feszültség (V_CE) függvényében. Például ott, ahol a munkapont (Q) be van jelölve, ha 60µA bázisáramot kapcsolunk a tranzisztorra, akkor a kollektor 40mA áramerősséget biztosít a kimeneten és a kollektor-emitter lábak között a tápfeszültség fele fog esni (itt: 6V). Ez bemenő jel hiányában teljesül. Váltakozó bemenő jel hatására a kimenet innen fog negatív vagy pozitív irányba változni, tehát a Q a bemenő jel offsetje (itt: a kimenet nullátmenete 6V-nál fog történni).

      A munkapont akárhol nem vehető fel, hiszen a terhelési ellenállás korlátozza. Pontosabban az „A” és „B” pontot összekötő egyenes mentén vehető fel a munkapont. Az „A” pont az a maximális I_B, amikor a tranzisztor teljesen vezet (szaturációs tartomány), a „B” pedig az a maximális V_CE, amikor a tranzisztor teljesen zárva van (vágási tartomány). Az egyenes meredeksége függ a terhelés nagyságától: minél kisebb a terhelés, annál meredekebb az egyenes. Azért nevezik DC terhelési egyenesnek, mert ennek mentén határozható meg a tranzisztor DC (nullátmeneti) üzemfeszültsége. A munkapontot a tápfeszültség és a bázist előfeszítő ellenállás állítja be.

      Az erősítő osztályokat a munkapont pozíciója határozza meg. Ha nem a vonal közepére kerül, akkor a tranzisztor a bemenőjel függvényében átléphet a valamelyik szomszédos tartományba és akkor már nem fog erősíteni, sokkal inkább torzítani, hisz a bemenő jelnek csak egy részét fogja erősíteni.

„A” osztály

      A legnagyobb kimenetű jele az „A” osztálynak van, itt a legkisebb a torzítás, hisz teljesen a lineáris tartományban dolgozik. A tranzisztor ekkor a bemenő szinusz hullám teljes 360 fokos periódusán át vezet és egyformán (lineárisan) erősít széles frekvenciaválaszon át.

   A bemenő jelalak az erősítő alsó és felső feszültséghatárai közé van centrálva. Hátránya, hogy a tranzisztor sosem kapcsol ki, a bemenet hiányában sem. Az üresjárati áram egyenlő a legnagyobb kimeneti jelhez tartozó árammal. Emiatt az elfogyasztott áramnak kb. 30%-a hasznosul jelerősítésre, a többit a hűtőbordák nyelik el hő formájában. Az „A” osztályú erősítő működési elve tehát nem ideális nagyobb teljesítményű erősítő tervezésére, hisz a tápegységet bőven túl kell méretezni és kellően szűrni az elektromos zajoktól. A fenti kapcsoláson R1 és R2 osztja le a feszültésget a bázisra, ami 0.7V-tal nagyobb, mint a bemenő jel minimuma. Emiatt van a tranzisztor mindig bekapcsolva és középre előfeszítve. A C_Be kondenzátor az egyenáramú komponenseket szűri ki a bemenő jelből (ami lehet akár egy előző fokozat kimenete), a C_Ki pedig a kimenetet szűri, hogy a terhelésre (hangszóróra vagy a következő fokozatra) se kerüljön DC komponens. Bár a kondenzátorok rontják az erősítő frekvenciaválaszát az alacsony tartományban (nagy mértékben csillapítják az alacsony frekvenciás jeleket – hisz felüláteresztő szűrőként viselkednek bemeneti impedancia társaságában), ezek nélkül a munkapont elcsúszhat és az erősítés mértéke megváltozik. Az Re és Ce a munkapontot stabilizálja. Az Re negatív visszacsatolásként szolgál, segít előfeszítve tartani a bázist, ha a tápfeszültség ingadozik. A magas frekvenciás AC bemenet viszont zajként hathat az emitterre, ilyenkor a Ce kondenzátor söntöli a kollektorról érkező AC jelet, növelve az erősítő nyereségét. Az Rc a tranzisztoron folyó áramot szabályozza. Az „A” osztályú erősítő végfokára Rc helyett gyakran transzformátorral van a hangszóró a kimenetre csatolva, hogy valamelyest javuljon a hatásfok.

A transzformátor jó impedanciaillesztést biztosít a kimenet és a terhelés között, garantálva a teljes energiaátvitelt. A primer tekercs impedanciája az erősítő kimeneti impedanciájával egyenlő, a szekunderé pedig a hangszóró impedanciájával. A hátránya, hogy korlátozza az alacsony frekvenciaválaszt és zúgást vihet a kimenetre ha a primerre DC komponens kerül vagy nem tökéletes az illesztés, tehát ez a beállítás is csak kis teljesítményű erősítőkben használható.

„B” osztály

  

    Az előző osztály problémáját hivatott megoldani a „B” osztály. Két tranzisztor dolgozik párban a bemenő szinusz hullámon, mindkettő a maga fél-periódusát erősíti.

      Ez az úgynevezett push-pull beállítás, ahol a bemenet előjelének függvényében hol az egyik, hol a másik tranzisztor kapcsol be, míg párja kikapcsolt állapotban van. A kimenet végül kombinálódik és az eredeti bemenet felerősített változata olvasható le. Üresjáratban, mikor se pozitív, se negatív bemenet nincs, mindkét tranzisztor kikapcsolt állapotban van (a munkapont a vágási tartományban – a tranzisztor nincs DC feszültséggel előfeszítve), ami kb. 50%-ra növeli az erősítő hatékonyságát. Ez a pont (a szinusz null-átmeneti pontja) széles, hisz a tranzisztornak legalább 0,7V feszültségre van szüksége, hogy működésbe lépjen, tehát a pozitív félhullámot kapcsoló tranzisztor csak +0,7V felett, a negatív félhullámot kapcsoló tranzisztor csak -0,7V alatt fog bekapcsolni. A -0,7 és +0,7 közötti rész nem lesz tisztán felerősítve, ezért a „B” osztályú erősítő működési elve nem alkalmas minőségi erősítők tervezésére.

      A fenti kapcsolásban egy NPN és egy PNP tranzisztor működik párban, melyek bázisai egyazon bemenetet kapják. Mivel ellentétes előjelű feszültségre kapcsolnak, és munkapontjuk a vágási tartományban van, az összekötött emitter lábaikra hol az egyik, hol a másik ad jelet. Az ábrán látható kimenő jel a pozitív félhullámra kapcsoló NPN tranzisztor jelét ábrázolja. Akár az „A” osztály esetén, itt is javítható a hatásfok transzformátorok alkalmazásával:

      Ebben az esetben a transzformátorok közép-kivezetésűek. A TR1 transzformátor a bemenő jelet két ellentétes példányban (180 fokos fázistolással) adja T1 illetve T2 bázisára. T1 a pozitív, T2 pedig a negatív félhullámot erősíti. A felerősített félhullámokat a TR2 transzformátor kombinálja össze. Ha minden ideális, akkor a transzformátor nem lát DC áramot a kollektorokon és nem telítődik, hisz azok ellentétes irányban folynak és kioltják egymást. Bár a nyereség a transzformátor alkalmazásával nő, a null-átmeneti torzítás megmarad. Az a rész, ahol a tranzisztorok nem vezetnek, hiányozni fog a kimenő jelből, tördelt lesz a kimenet.

„AB” osztály

      A null-átmeneti torzításra az „AB” osztály nyújt megoldást. A munkapont nincs teljesen a vágási tartományban, hanem kicsit az aktív tartományba esik. Ennek köszönhetően a tranzisztorok a bemenő jelalak félperiódusánál hosszabb ideig maradnak nyitva. Más szóval a nullátmenet közelében mindkét tranzisztor egyszerre fog vezetni és ezzel megszűnik a torzítás. Az előfeszítő feszültség nagyon csekély, általában 5-10%-kal van a nyugalmi áram felett.

      A kis nyitóáramot a bázisra kapcsolt diódák adják, melyeket az R ellenállások feszítenek elő. Amikor nincs bemenő jel (nullátmenetnél), a két bázis közti különbség 1,4V, így mindkét tranzisztor nyitva marad. A D1 tulajdonképpen feljebb tolja a bemenő jel szintjét, hogy a pozitív félhullámot erősítő tranzisztor +0.7V-tal hamarább kezdjen el vezetni, valamint a D2 süllyeszti a jel szintjét, hogy a másik tranzisztor -0.7V-tal hamarabb kezdje a negatív félhullámot erősíteni. Más szavakkal, az NPN tranzisztor 0.7V-tal a jelszint fölé van előfeszítve, a PNP pedig -0.7V-tal a jelszint alá. Amikor bemenő jelszint valamelyik véglet felé közelít, akkor az ahhoz tartozó tranzisztor kezdi teljesen átvenni azt, és már nem marad elég áram a másik tranzisztort nyitva tartására. Amikor ez kikapcsol, akkor minden energia a nyitott tranzisztoron kerül át a terhelésre. Diódák helyett lehetne ellenállásokat is alkalmazni, viszont egy kis hőmérsékletváltozás már nagy mértékben befolyásolná a rajtuk átfolyó áramot és ezzel együtt a tranzisztorok üresjárati előfeszítését. Ha a dióda karakterisztikája hasonló a tranzisztor emitter-bázis diódájának karakterisztikájához, akkor hőmérsékletváltozásokra is egyformán reagálnak, így a tranzisztor előfeszítése is stabil marad.

      Egy kicsit lehet növelni a kimenő teljesítményt, ha a bemenet nem közvetlenül a tranzisztorpár bázisaira megy, hanem egy tranzisztoron keresztül jut oda.

Ennek a kialakításnak több változata ismert, lényege, hogy T feszültségerősítőként működik, és úgy van előfeszítve R1 és R2 feszültségosztóval, hogy mindkét félhullámot átengedi. Voltaképpen egy „A” osztályú előerősítő kimenetére van rákötve az „AB” osztályú erősítő bemenete.

„C” osztály

      A legnagyobb hatékonysága és legcsekélyebb linearitása a „C” osztályú erősítőnek van. Az előző osztályok lineáris erősítőknek számítanak, mert a kimenő jel amplitúdója és fázisa lineáris kapcsolatban áll a bemenő jel amplitúdójával és fázisával. A „C” osztályú erősítő munkapontja a vágási tartomány alá esik, így a tranzisztor a bemenő jelnek kevesebb mint felét erősíti, kb. 90 fokot. Bár a hatékonyság 80% fölötti, a jeltorzítás oly mértékű, hogy audio erősítésre alkalmatlan.

Többnyire a rádiófrekvenciás erősítők rezgőköreinek jelét erősíti, ahol az erősítő kimenetén mérhető áram impulzusok teljes szinusszá alakíthatók a kollektoron lévő LC rezgőkör segítségével. Ez viszont csak egy keskeny sávban rezonál, így a hatékonyság nem minden frekvencián egyforma.

Az erősítő osztályokat a következő szempontok alapján lehet jellemezni:

	A	AB	B	C
Vezetési szögtartomány	360o	180-360 o	180o	< 90o
Munkapont pozíció	a terhelési egyenes közepén	a vágási tartomány felett	a vágási tartományban	a vágási tartomány alatt
Hatékonyság	25-30%	50-70%	70-80%	> 80%
Jeltorzítás	nincs	kis	nullátmeneti	nagy

„D” osztály

      Ettől az osztálytól kezdve az erősítők a nem-lineáris tartományban dolgoznak. Kapcsolóüzemben működnek, azaz teljesen ki vagy teljesen be vannak kapcsolva a tranzisztorok, amiket egy impulzusszélesség-modulátor (PWM) vezérel. A PWM jele az audio jel kódolt változata, amit a tranzisztorok felerősítenek (PWM erősítőnek is nevezik). A felerősített PWM jel egy alul-áteresztő szűrőn keresztül kerül a hangszóróra.

      A komparátor összehasonlítja a bemenő audio jelet a nagyfrekvenciás háromszögjellel, a kimenetén pedig változatlan amplitúdójú impulzusokat generál, melynek szélessége arányos az audio jel pillanatnyi amplitúdójával. A push-pull beállításban lévő tranzisztorpár bemenetére kerülnek az impulzusok. Mivel nagy kapcsolási sebességről van szó, MOSFET tranzisztorok kapcsolnak. Gyorsaságuk mellett jobban vezetnek és jobban zárnak bipoláris társaiknál, ami még hatékonyabbá teszi őket az erősítő alkalmazásokban. A tranzisztorok közös kimenetén az impulzusok felerősített alakja mérhető, mely a pozitív és a negatív tápfeszültséggel határos.

      Amikor a felerősített PWM jelet áthalad az alul-áteresztő szűrőn, egyrészt kiszűrődnek a kapcsolgatás magas-frekvenciás harmonikusai, másrészt – mivel a tekercs és a kondenzátor nem tudja követni a gyors szintváltásokat – átlagolódnak a jelszintek és az eredeti audio bemenet felnagyított példánya kerül a szűrő kimenetére.

      A gyors tranzisztorok kevés időt töltenek a lineáris tartományban, ezért kevés áramot fogyasztanak. Vigyázni kell arra, hogy a tranzisztorok soha ne vezessenek egyszerre, mert akkor rövidre zárják a tápfeszültség pólusait. A minőségen pedig ront, ha mindkét tranzisztor egyszerre van kikapcsolt állapotban. Fontos továbbá, hogy a megfelelő impedanciájú hangszóróval legyen a szűrő leterhelve, különben más frekvenciatartományokban fog dolgozni. A „D” osztályú erősítő minősége az „AB” osztályéval mérhető össze, hatékonysága azonban eléri a 90%-ot. Mivel a tranzisztorok alig melegednek, kisméretű hűtőborda is elegendő, kis helyigényű berendezésekben használatos, mint pl. a hordozható eszközök. A rádió adó-vevőkben kevésbé elterjedt, mert a kimeneti szűrő nem alkalmas minden magas-frekvenciás jelet teljesen kiszűrni, és ami marad, az elég erős ahhoz, hogy zavarja az adás-vételt. A PWM modulátor hátránya, hogy amikor az audio jel amplitúdója a csúcsponton van, az impulzus annyira keskeny lesz, hogy az egyik tranzisztor talán nem veszi észre, és amikor a társa átkapcsol rövidre zárja a kimenetet, vagy ő is kikapcsol, ami torzítást okoz a kimeneten. Ennek orvoslására más modulációs technikát is lehet használni, mint az impulzus-sűrűség moduláció, vagy a delta-szigma moduláció. Annál jobb az erősítő minősége, minél gyorsabb a modulátor és a kapcsoló tranzisztorok. Ez persze a hatékonyság rovására jár, hiszen a tranzisztor kapcsolása során áramot fogyaszt.

„E” osztály

      Az E osztály a rádiófrekvenciás tartományban működik. Az áramkör két alapvető részre oszlik:

1. Az ideális kapcsoló rész (tranzisztor, FET)
2. Egy parazita elemekkel rendelkező komplex rész (kondenzátor, tekercs, ellenállás), melyet a kapcsoló rész kapcsolgat

Tulajdonképpen a C osztályú erősítőhöz hasonlít, viszont a bipoláris tranzisztort unipoláris váltja fel. Ez kapcsolóként működik, a vázlatszerű kapcsolásokon kapcsolóval helyettesítik.

      A tranzisztort rádiófrekvenciás jel kapcsolgatja be és ki. A frekvenciatartomány nem túl széles, hiszen passzív elemeket kell kapcsolgatni, mint a kondenzátor és a tekercs. Közel nulla feszültségátmenetnél kapcsol be (ekkor folyik a legnagyobb áram) és közel nulla áramátmenetnél kapcsol ki (ekkor mérhető a legnagyobb a feszültség). A vezetés tehát nagy áram és kis feszültség vagy pedig nagy feszültség és kis áram esetén történik, de sohasem köztes esetben. Mivel a felvett teljesítmény egyenlő a feszültség (V_DS) és az áram (I_D) szorzatával melyek közül az egyik mindig kicsi, ezért a fogyasztás is kevés lesz. Ideális esetben a hatékonyság elérheti a 100%-ot.

      Ezt a típusú kapcsolgatást szoft-kapcsolásnak nevezik, hiszen a tranzisztor egymagában nem lenne képes rá. Amikor a tranzisztor csak szimplán kapcsolgat (hard-kapcsolás), akkor a feszültség és az áram a kapcsolás során egymásra tevődik, azaz van egy olyan rész, ahol egyik sem nullához közeli. Ilyenkor a tranzisztor áramot fogyaszt és veszteséget okoz a teljesítmény és a frekvenciatartomány szempontjából egyaránt.

Az átmenet során keletkező veszteség elkerülhető, ha:

• A tranzisztor a bekapcsolással késik, míg az áram teljesen nullára nem csökken
• A tranzisztor kikapcsol, még mielőtt az áram emelkedni kezdne.

A két feltételt a tranzisztor kimenete és a terhelés között lévő L-C hálózat valósítja meg.

A tranzisztoron átfolyó feszültség és áram változásának időtartama (dv/dt és di/dt) csökken, valamint időben távolabb kerülnek egymástól, és ezért a tranzisztor kapcsolási ideje is belefér az RF jel periódusába anélkül, hogy a fogyasztás nőne. A bekapcsolás a periódusból 30%-ot, míg a kikapcsolás kb. 20%-ot tesz ki. A tranzisztor kimentén lévő Cp kondenzátor késlelteti a be- és kikapcsolás ciklusait. Az Lp tekercs szűri a tápforrásból érkező AC komponenseket és növeli az erősítő nyereségét kompenzálva a Cp okozta veszteségeket. A Cp és a Cs-Ls (rezonátor) együttesen eltolja a feszültség és az áramerősség fázisát, valamint Cp kondenzátoron keresztül a földre söntöli a zajokat. Mivel szinte nincs fogyasztás a kapcsolgatás során, így az elektromágneses interferencia veszélye is csökken, valamint megnövekedik a kapcsolási frekvencia tartomány. Attól függetlenül, hogy a bemenet szinusz- vagy négyszögjel, a terhelésen egy megszűrt szinusz jel lesz mérhető, mely egy következő fokozatba, vagy egy antenna impedanciájába kapcsolódik.

„F” osztály

      Az „F” osztály is rádiófrekvencián dolgozik és hasonlít az „E” osztályra, viszont bonyolultabb LC hálózattal rendelkezik. Jobb impedancia illesztést biztosít a kapcsoló tag és a terhelés között. Ezen kívül kiiktatja a bemenő jel páros harmonikusait, hogy a kapcsoló jel jobban hasonlítson a négyszögjelre. Ettől növekszik a hatékonyság, hiszen a tranzisztor hosszabb ideig lesz a szaturációs illetve vágási tartományban.

A kimeneten lévő LC hálózat a Drain lábon lévő feszültség és áramerősség harmonikusait szabályozza. A feszültség szempontjából a terhelést úgy illeszti a kapcsolgatott jelre, hogy csak páratlan harmonikusok esetén biztosít nagy impedanciát, a párosokat pedig rövidre zárja. Minél inkább csak páratlan harmonikusokból áll a jel, annál inkább szögletes.

Az áramerősség szempontjából a páros harmonikusok minősülnek hasznosnak, a páratlanok pedig ki vannak szűrve. Ennek eredményeképp az alapjelhez igazodó félszinuszjelt kapunk. Ideális esetben a feszültség négyszögjel, az áramerősség félszinuszjel és a kettő nem fedi egymást, mert 180 fokos fázistolás van közöttük.

A kapcsolási rajzon található erősítő a harmadik harmonikusra van hangolva, vagyis a feszültség alapfrekvenciáját és annak harmadik harmonikusát felerősíti, a többit kiszűri. Az erősítő kimenete a fenti ábrához hasonlít. Ha precízen be van hangolva, akkor elérheti a 80%-os hatásfokot is. Ugyanez a hatékonyság érhető el, ha az áramerősség négyszögjel és a feszültség félszinusz. Ezt az esetet „inverz F” osztálynak vagy „F^-1” osztálynak nevezik. A valóságban nem lehet minden nemkívánt harmonikust kiiktatni, viszont meg lehet közelíteni az ideális formát. Gyakorlatilag minden harmonikus egy LC tagot igényel, és minél több LC tag van, annál nagyobb a jelveszteség. Igazából már az ötödik harmonikus finomhangolása kezd a nyereség rovására járni.

„G” osztály

      Ez a típus az audio tartományban működik, az „AB” osztályt hivatott túlszárnyalni. Ehhez több különböző tápforrást használ, és ha a beérkező jelszint meghaladja az éppen használt tápforrás korlátait, akkor átkapcsol egy másikra. A legegyszerűbb esetben két tápforrás között kell kapcsolni, melyből az egyik kisebb teljesítményű és az alacsony jelszinten táplál, míg a másik nagy teljesítményű és a magasabb amplitúdójú bemenetnél használandó. Az erősítő tranzisztorok mindig el kell nyeljék a hangszóró és a tápfeszültség közti különbséget megszorozva az áramerőséggel.  Minél nagyobb ez a különbség, annál inkább melegednek a tranzisztorok. A különbséget a változó tápforrás csökkenti, hiszen kis jelszinten a tápfeszültség fele is elegendő. Ha itt megdupláznánk a tápfeszültséget, akkor megnégyszereződne a teljesítményveszteség.

A fenti kapcsolás egy szétválasztott tápegységű „AB” osztályú erősítő, ami ez úton egy „G” osztályú erősítőt eredményez. MOSFET tranzisztorok kapcsolgatják a tápfeszültségeket, melyek vezérlőjele lehet például egy visszacsatolás a kimenetről. Ha csak két- három tápegységgel rendelkezik egy erősítő, akkor számolni kell a nagy teljesítményű tápegységek üzemidejével. Ha csak pár milliszekundumig tart a kis amplitúdójú jel a bemeneten, akkor nem érdemes visszakapcsolni a kisebb tápegységre, hisz egy korai átkapcsolás torzítást okozhat. Ebben az esetben a visszakapcsolás késéssel történik, ám mivel ez minden alkalommal bekövetkezik, a teljes hatékonyság csökken (kb. 80%).

      A „G” osztályú erősítő nyeresége csak akkor jobb az „AB” osztályúnál, ha a bemenő jel annyira kicsi, hogy a kis teljesítményű tápegységről üzemel. Éppen ezért mindig arra törekszik, hogy minél többet tudjon a kis tápegységről működni és mikor a jel torzítása már meghalad egy küszöbértéket, csak akkor kapcsol át. Maga az átkapcsolás nem okoz hallható torzítást az audio jelben.

„H” osztály

      Minél több különálló tápegységre van felbontva egy „G” osztályú erősítő feszültségszintje, annál jobb a hatásfok. A tápegységek viszont helyet foglalnak és költségesek, ezért a „H” osztályú erősítő a különböző szintek közti átmenetet feszültségszabályzással oldja meg:

A fenti ábrán a kis tápfeszültség konstans, a nagy pedig szabályozott. A tranzisztorok kevésbé melegednek, kevesebb a teljesítményveszteség és javul a hatásfok (kb. 85-90%).

„I” osztály

      Az „I” osztály a „D” osztály elvén alapszik. Mint kapcsolóüzemben működő erősítő, kritikus szempont a PWM jelet előállító tranzisztorok vezérlésének időzítése. A leggyakoribb probléma, amikor a push-pull beállításban lévő tranzisztorok egyszerre zárnak vagy nyitnak. Más szóval nagyon érzékenyek az időzítésre, és ezt próbálja az „I” osztály kiküszöbölni. Megoldásképp nem egy, hanem két PWM jellel dolgozik. Egyik a pozitív, másik a negatív félhullám-amplitúdóval arányos szélességű impulzusokat generál:

Amennyivel szélesebb az egyik kimenet impulzusa, ugyanannyival keskenyebb a másik kimeneté. A nullátmenet környékén, amikor a pozitív és a negatív félhullám közel azonos szélességű, a két kimenet impulzus-szélessége is azonos lesz. Bemenő jel hiányában teljesen egyforma, vagyis mindkét PWM generátor 50%-os kitöltéssel kapcsolgat:

Ha mindkét PWM azonos, akkor a tranzisztorok egyszerre vezetik vagy szakítják meg az áramot.

Amikor mindkét tranzisztor vezet, az energia a tekercsekben tárolódik. A közös pontjuk a földhöz van mérve, ezért a rajtuk kialakuló mágneses mező ellentétes polaritású lesz. Az 50%-os kitöltésű PWM esetén egyforma ideig töltődnek a tekercsek, a bennük tárolt energia mennyisége azonos lesz és kioltja egymást. A pozitív és negatív irányból érkező áram nagysága egyforma, de iránya ellentétes, ezért mindig egyensúlyban tartja a kimeneti áramerősséget és innen az erősítő neve: kiegyenlített áramú erősítő (BCA – Balanced Current Amplifier). A kapcsoláson lévő két dióda áram alatt tartja a hozzá tartozó tekercset, amikor valamelyik tranzisztor éppen nem vezet.

      Mivel mindkét PWM jel középre van centrálva és mindkettő ugyanabban az időben ad információt az aktuális amplitúdóról, így összesen négy darab él (két felmenő él és két lefutó él) fog hozzájárulni a kimenő áramerősséghez. Más szóval a kimeneti áram frekvenciája duplája lesz a kapcsolók frekvenciájának, ami növeli az erősítő hatékonyságát, hiszen a kapcsolók okozta veszteségek a felére csökkennek. Például egy 250kHz-en kapcsolgató „I” osztályú erősítő hatásfokát egy „D” osztályú erősítő csak 500kHz-en kapcsolgatva érhetné el.

      Egyik fontos előnyük a PWM jellel működő erősítőknek, hogy a hangszóróból visszatérő reaktív energiát hatékonyan újrahasznosítják. A hangszóró impedanciája mindig változik attól függően, hogy éppen milyen frekvenciát szólaltat meg és néha nagyon eltérhet az erősítőnek tervezett impedanciától, főleg több-hangszórós kivitelben. Ilyenkor az áram és a feszültség fázisai eltávolodnak egymástól és nagy áramcsúcsok léphetnek fel az erősítő kimenetén. Ezeket a nem-kapcsolgató erősítők hővé alakítják amennyiben kibírják, a kapcsolgató erősítők pedig a kimeneten lévő LC tagokban tárolják és felhasználják. Ennek eredményeképp egy „I” vagy „D” osztályú erősítő hangosabb a többi hasonló energiaszükségletű típusnál, valamint kevésbé melegedik, ezért a kisebb hűtésigény miatt könnyebb is társainál.

„J” osztály

     

      A „J” osztály a rádiófrekvencián működő erősítők közé sorolható. Minél kevesebb időt tölt a kapcsoló tranzisztor a bemenő hullám nullátmenete közelében, annál hatékonyabban működik. Ez szabályozható a munkapont tologatásával (C osztály), áramkör topológiával (E osztály), vagy pedig a terheléssel (F osztály).

      Az E osztályban a tranzisztor tökéletes kapcsolóként viselkedik: amikor be van kapcsolva, akkor a kollektor/drain feszültség nulla, és kikapcsolt állapotban a kollektor/drain áram nulla. Tökéletes kapcsolót viszont nem lehet megvalósítani, ezért javasolt inkább a harmonikusakat használni az áramerősség és feszültség átfedésének csökkentésére. Az E osztály ezt a kimenetre kapcsolt LC hálózattal valósítja meg, ami az alap frekvenciát, vagyis az első harmonikust hangolja. A J osztály a második harmonikus hangolásával próbálja ugyanezt megoldani.

      Ahhoz, hogy az alapjel feszültsége maximális legyen, fázisban kell lennie a második harmonikus feszültséggel. Ehhez valamelyiket el kell tolni 45 fokkal. A második harmonikusra való hangolása az alapjelnek megnövelheti a terhelést. Hogy ez ne következzen be, a terhelésnek tisztán reaktívnak kell lennie: induktív vagy kapacitív. Ha például kapacitív, akkor a feszültség 90 fokkal az áram után lesz. Az átfedéseket és késéseket bonyolult LC hálózatok küszöbölik ki, oldják meg. A terhelés mégis komplex kell legyen, hogy megformálja a kimenő jelet, így a veszteségek nagy része a fázisbeli eltérések miatt van.  A J osztályú erősítő kapcsolása többnyire vázlatszerű, hiszen topológiák számos variációja alkalmazható.

Az általános koncepció szerint a J osztályú erősítő lineáris erősítésű és az F osztály harmonikus söntölési módszerét alkalmazza. A korlátozások az üzemfrekvencia tartományában nyilvánulnak meg, mert a széles sávú erősítők frekvenciáinak harmonikusait nehéz elfojtani, hiszen a sávok átfedődhetnek. Ha magas rangú szűrőkkel próbálkozunk, akkor csökkenni fog végteljesítmény, így a hatásfok is. Alternatív megoldásként szóba jöhet a harmonikus szűrés a kimeneti illesztőben, viszont ettől megnő a hálózati szegmens jósági tényezője korlátozva a sávszélességet. A hatásfok és a teljesítmény javítható, ha a harmonikust terhelő kapacitás nem lineáris.

„K” osztály

      Ez az osztály az audio tartományban működik, PWM architektúrát használ. A kapcsolóüzemű erősítés a D osztály nem-lineáris elvén működik, csakhogy PWM modulátort egy lineáris tartományban működő erősítő kimenő árama vezéreli.

Mindkét erősítő kimenete párhuzamosan a terhelésre van kapcsolva. A kapcsolóüzemű erősítő egy tekercsen keresztül hajtja meg a terhelést. Ez egy áramforrásnak felel meg, amit a lineáris erősítő árama szabályoz. A lineáris erősítő visszacsatolása a kimenő feszültséget szabályozza a bemenő audio jelet használva referenciaként.

Bár a lineáris erősítő folyamatosan áramot fogyaszt, az erősítő összfogyasztása kisebb mint az AB-osztályé. A K osztályú erősítőt általában fejhallató erősítőként van kihasználva, mert kis teljesítménynél nagyobb nyereségű a többi osztálynál. A lineáris és nem-lineáris erősítő csatolása nagyot javít a jelminőségen kevéssel több fogyasztásért cserébe.

„S” osztály

      Az S osztályú erősítők a kapcsolóüzemű rádiófrekvenciás erősítők közé tartoznak. Az alapkoncepció a D osztályé, az üzemfrekvencia viszont MHz-es tartományban van. Hogy ez sikerüljön gyors tranzisztorokra van szükség, mint a gallium-nitrid (GaN) alapú HEM (High Electron Mobility) tranzisztor, amit monolit mikrohullámú integrált áramkörökben alkalmaznak. Ezek sokkal nagyobb sávszélességen képesek működni és jobb tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a szilícium vagy gallium-arzén tranzisztorok.

A magas frekvenciájú kapcsolóüzemű erősítőknél fontos paraméter a bemeneti jel modulációja, ugyanis a hatásfok nagyban függ ettől.

„T” osztály

      A T osztály nem más, mint a Tripath technológia védjegye. A Tripath D osztályú digitális erősítő integrált áramköröket gyártott. Tulajdonképpen fejlesztették a D osztályú erősítőket, hogy nagyobb teljesítményűek és elfogadhatóbb áruk legyen. A közismert fejlesztések közül egyik kapcsolási frekvencia valós idejű szabályzása a bemenet és a felerősített kimenet függvényében. Az implementációk közül a legsikeresebb a magas rendű Delta-Szigma modulátorhoz hasonló hurok használata, melynek belső digitális órajele vezéreli a komparátort. A TA2020 integrált áramkör tesztkapcsolása a következő:

A két kulcsfontosságú aspektus, hogy (1) a visszacsatolás közvetlenül a kapcsoló elemből ered mintsem a megszűrt kimenetből, és (2) a magasabb rendű visszacsatolási hurok nagyobb hurok-nyereséggel rendelkezik a magas audio frekvenciáknál, a hagyományos egypólusú erősítőkhöz képest. A Tripath céget azóta felvásárolta a Cirrus Logic.