Klasse D versterkers

Hoogfrequent versterkers
met 2 vermogentransistors

Jan Genoe

October 2025

Klasse D versterker

• Combinatie van:
  • een balansschakeling (zie klasse B)
  • een  resonante L-C kring (zie klasse C)
• Kan enkel vermogen leveren op de resonantiefrequentie van de kring
• Sturing gebeurt aan de hand van een blokgolf op de resonantiefrequentie
  • Dit houdt in dat de transistors gebruikt worden als schakelaars)
• Enkel de eerste harmonische komt ongehinderd door naar de belasting
  • Dit kan enkel maar voor een resonante versterker

Basisschema van de klasse D versterker

Stromen en spanningen

• Er wordt geschakeld als de stroom door de inductantie 0 is
• Spanning over de transistor
  • ongeveer 0 Volt in geval de transistor stroom geleidt
  • Voedingsspanning in het geval de transistor geen stroom geleidt
• Stroom door de transistor : Afwisselend
  • een halve periode stroom (sinus)
  • een halve periode geen stroom

Klasse D versterker met MOS transistors in GSS

Basisschema van de klasse D versterker met nummering van de knopen

SPICE file Klasse D circuit

* Class D amp 1
Q_Q1         3 1 2 Q2
Q_Qp         0 1 2 Qp
L_L1         5 2 1uH
C_C1         5 6 10n
R_RL         6 0 6
V_Vdd        3 0 20V
R_Rin        4 1 1
V_Vin        4 0 PULSE(0 20 0 20ns 20ns 294ns 628ns) DC=0
.model Q2  NPN(Is=14.34f BF=200)
.model Qp  PNP(Is=5.34f BF=100)

Bekomen spanningen op de verschillende knopen

Collector stroom in de NPN en de PNP transistor

Fourrier reeks

De Fourrier reeks van de spanning op knoop 2 is:

Fourrier reeks van de spanning op knoop 2

$$ V[2] = \frac{V_{dd}}{2} +\frac{2 V_{dd}}{\pi}\left(\sin(\omega t) +\frac{\sin(3\omega t)}{3} +\frac{\sin(5\omega t)}{5} + ... \right)$$

Fourrier reeks van de blokgolf

• Heeft geen even harmonische componenten
• Oneven hogere harmonische componenten
  • dalen sterk met de frequentie
  • zien ook een veel hogere impedentie

Dus, de harmonische bijdrage is klein, maar niet onbestaande (hangt af van de kwaliteit van de kring)

Nuttig vermogen

• Bekomen spanning over R_L is de amplitude van de eerste harmonische van de blokgolf.

  • Dit houdt in dat amplitude modulatie alleen maar kan bekomen worden door plaatmodulatie

• Deze amplitude bedraagt:

• Het nuttig vermogen is dus:

$$ V_{R_L}= \frac{2 V_{DD}}{\pi} $$

$$ P_{R_L}= \frac{2 V^2_{DD}}{\pi^2 R_L} $$

Opgestapelde energie

• De amplitude over R_L zegt niets over de amplitude over L₁ (en dus ook tegengesteld over C₁)
• Deze amplitude wordt bepaald door de kwaliteitsfactor (Q) van de kring, dit is de verhouding tussen de opgestapelde energie en de vrijgegeven energie.

$$ Q= \frac{\omega L_1}{R_L} = \frac{\text{opgestapelde energie}}{\text{vrijgegeven energie}}$$

Harmonische componenten in de spanning

impedantie van de serie trilkring

impedantie van de serie trilkring

$$Z(\omega) = j \omega L_1 +\frac{1}{j \omega C_1} + R_L $$

Harmonische componenten van de uitgangsstroom

Harmonische componenten van de uitgangsstroom (logschaal)

Rendement

• Theoretisch 100%
• Lager door
  • (Beperkte) stroom in de harmonischen
  • Schakelverliezen
    • Bepaald door de ladingsopslag q in het actief element
    • Evenredig met q²
    • Evenredig met de schakelfrequentie
  • Spanningsval
    • bipolaire componenten: vaste spanning
    • veldeffect componenten: vaste weerstand

De schakelverliezen kunnen als het volgt ingeschat worden. De interne spanningen van de schakelende transistor (bv V_BE of V_GS) moeten om een bepaalde spanning opgeladen zijn om in geleiding of in sper te kunnen zijn. Om over te gaan naar de andere geleidingsvorm moeten die capaciteiten opgeladen of ontladen worden. Hiervoor is energie nodige en dit levert verliezen op.

Eens een transistor in geleiding kan de spanning over deze transistor niet helemaal nul zijn. Bij een bipolaire transistor zal er steeds de saturatiespanning over de transistor blijven staan en bij een MOS transistor bepaalt de aan-weerstand , samen met de stroom hoeveel spanning er nog over staat. Hetzelfde geldt voor een MESFET of een JFET.

Basisschema van de klasse D versterker met beschermdiodes

We merken dat indien de klasse D versterker off-resonance aangestuurd wordt, dat de impedantie dan ook een reactieve (=imaginaire) component heeft. Daardoor zullen stroom en spanning niet meer in fase zijn. Als een gevolg hiervan zou de transistor die in geleiding is een omgekeerde stroom moeten leveren, wat niet kan in geval van een bipolaire transistor. Hierdoor zou de stroom plots afgebroken worden en er over de inductantie een zeer grote spanning komen te staan, wat de transistor kan kapotmaken.

SPICE file Klasse D circuit met diodes

* Class D amp 1
Q_Q1         3 1 2 Q2
Q_Qp         0 1 2 Qp
D_D1         2 3 DD
D_D2         0 2 DD
L_L1         5 2 1uH
C_C1         5 6 10n
R_RL         6 0 6
V_Vdd        3 0 20V
R_Rin        4 1 1
V_Vin        4 0 PULSE(0 20 0 20ns 20ns 280ns 600ns) DC=0
.model Q2  NPN(Is=14.34f BF=200)
.model Qp  PNP(Is=5.34f BF=100)
.model DD   D( IS=0.0002 RS=0.05 CJO=5e-10 )

Bekomen spanningen in de Klasse D versterker met diodes

Detail van de spanningen

Stromen in de transistors en diodes

Klasse D versterker met enkel NPN transistors

In de plaats van met 2 complementaire transistors kan deze schakeling ook uitgevoerd worden met 2 NPN transistors. Maar deze 2 transistors moeten dan wel aangestuurd worden met een tegengesteld signaal tussen hun basis en emitter. Hiervoor kan bijvoorbeeld een transformator gebruikt worden, zoals aangegeven in het schema. Het blijft hierbij zo dat het stuursignaal dat opgelegd wordt aan de trilkring een blokgolf spanning is. De kring zorgt er dan voor dat de stroom die erdoor loopt (voornamelijk) de eerste harmonische is van die opgelegde spanning. Deze stroom loopt dan ook door de belasting waardoor we hier zowel een sinusvormige stroom als spanning bekomen.

Klasse D versterker met enkel NPN transistors

Klasse D versterker met spanningssturing

De trilkring in het bovenstaande schema krijgt ook een blokgolf spanning te verwerken. Deze wordt echter niet rechtstreeks opgelegd, maar wel aan de hand van een transformator. Indien de rechter transistor in geleiding is krijgen we de positieve voedingsspanning over de trilkring. Indien de linker transistor in geleiding is krijgen we de negatieve voedingsspanning over de trilkring. De trilkring bepaald vervolgens de stromen die er vloeien en deze stromen lopen dan ook door de respectievelijke transistors. Indien de wikkelverhouding groter dan 1 is, wordt er een grotere blokgolf spanning over de trilkring bekomen en moet er een zelfde factor meer stroom lopen door de transistors dan er door de trilkring loopt. Omgekeerd geldt natuurlijk het omgekeerde. Ook dit schema heeft het voordeel dat er gewerkt wordt met npn transistors.

Keuze wikkelverhouding transformator

Klasse D versterker met spanningssturing en beveiligingsdiodes

Met stroomsturing

Een klasse D versterker, kan, zoals de klasse C versterker ook aangestuurd worden met stroomsturing. In dit geval moeten we wel werken met een parallel resonantiekring. De stroom die naar de kring gestuurd wordt is in dit geval een blokgolf. Enkel de eerste harmonische uit deze blokgolf zal in staat zijn een spanning op te bouwen over de trilkring op de bouwen en dus vermogen te leveren aan de belasting. Alle hogere harmonischen zien een lage impedantie in de condensator C₁ en laden deze condensator dus op en af. Er wordt geen spanning over R_L bekomen en dus ook geen vermogen overgedragen. Om een stroomsturing te bekomen moeten we ervoor zorgen dat de stroom door elk van de primaire wikkelingen van de transformator steeds een constante is. Hiervoor plaatsen we een grote inductantie L₀ tussen de voedingsspanning V_dd en de aftakking van de transformator. Deze inductantie zal ervoor zorgen dat elke stroomvariatie wordt tegengewerkt door de spanning aan te passen.

Met stroomsturing en beveiligingsdiodes

I would rather have questions that can't be answered
than answers that can't be questioned.

Richard Feynman