La etapa de salida del amplificador de Clase AB combina las ventajas del amplificador de Clase A y el amplificador de Clase B, que producen un mejor diseño de amplificador
El propósito de cualquier amplificador es producir una salida que siga las características de la señal de entrada pero que sea lo suficientemente grande como para satisfacer las necesidades de la carga conectada a él.
Hemos visto que la salida de potencia de un amplificador es el producto del voltaje y la corriente, (P = V * I) aplicados a la carga, mientras que la entrada de energía es el producto del voltaje de CC y la corriente tomada de la fuente de alimentación.
Aunque la amplificación de un amplificador de Clase A (donde el transistor de salida conduce el 100% del tiempo) puede ser alta, la eficiencia de la conversión de la fuente de alimentación de CC a una salida de alimentación de CA generalmente es inferior al 50%. Sin embargo, si modificamos el circuito amplificador de Clase A para que funcione en modo Clase B (donde cada transistor conduce solo el 50% del tiempo), la corriente del colector fluye en cada transistor durante solo 180 ° del ciclo. La ventaja aquí es que la eficiencia de conversión de CC a CA es mucho más alta en aproximadamente el 75%, pero esta configuración de Clase B produce una distorsión de la señal de salida que puede ser inaceptable.
Una forma de producir un amplificador con la salida de alta eficiencia de la configuración de Clase B junto con la baja distorsión de la configuración de Clase A es crear un circuito amplificador que sea una combinación de las dos clases anteriores, lo que da como resultado un nuevo tipo de circuito amplificador llamado un amplificador de clase AB . Luego, la etapa de salida del amplificador de Clase AB combina las ventajas del amplificador de Clase A y el amplificador de Clase B, a la vez que minimiza los problemas de baja eficiencia y distorsión asociados con ellos.
Como dijimos anteriormente, el amplificador de Clase AB es una combinación de las Clases A y B en cuanto a las salidas de potencia pequeña, el amplificador funciona como un amplificador de clase A pero cambia a un amplificador de clase B para salidas de corriente más grandes. Esta acción se logra al pre-polarizar los dos transistores en la etapa de salida de los amplificadores. Luego, cada transistor conducirá entre 180 o y 360 o del tiempo, dependiendo de la cantidad de salida de corriente y pre-polarización. Por lo tanto, la etapa de salida del amplificador funciona como un amplificador de Clase AB.
Primero veamos una comparación de las señales de salida para las diferentes clases de operación del amplificador.
Comparación de las diferentes clases de amplificadores
Entonces las clases de amplificador siempre se definen de la siguiente manera:
- Clase A: - Los amplificadores de salida única del transistor conducen para la totalidad de 360 ° del ciclo de la forma de onda de entrada.
- Clase B: - Los amplificadores de dos transistores de salida solo conducen para la mitad, es decir, 180 ° de la forma de onda de entrada.
- Clase AB: - Los amplificadores de dos transistores de salida conducen en algún lugar entre 180 o y 360 o de la forma de onda de entrada.
Operación del amplificador de clase A
Para el funcionamiento del amplificador de Clase A, el punto Q de los transistores de conmutación está ubicado cerca del centro de la línea de carga característica de salida del transistor y dentro de la región lineal. Esto permite que el transistor conduzca a 360 o por completo, por lo que la señal de salida varía a lo largo del ciclo completo de la señal de entrada.
La principal ventaja de la Clase A es que la señal de salida siempre será una reproducción exacta de la señal de entrada que reduce la distorsión. Sin embargo, tiene una eficiencia deficiente, ya que para desviar el transistor en el centro de la línea de carga, siempre debe haber una corriente de reposo DC adecuada que fluya a través del transistor de conmutación, incluso si no hay una señal de entrada para amplificar.
Operación de amplificador de clase B
Para el funcionamiento del amplificador de Clase B, se utilizan dos transistores de conmutación complementarios con el punto Q (que es su punto de polarización) de cada transistor ubicado en su punto de corte.
Esto permite que un transistor amplifique la señal en la mitad de la forma de onda de entrada, mientras que el otro transistor amplifica la otra mitad. Estas dos mitades amplificadas luego se combinan juntas en la carga para producir un ciclo completo de forma de onda. Este par complementario NPN-PNP también se conoce como configuración push-pull.
Debido a la desviación de corte, la corriente de reposo es cero cuando no hay señal de entrada, por lo tanto, no se disipa ni desperdicia energía cuando los transistores están en la condición de reposo, lo que aumenta la eficiencia general de un amplificador de Clase B con respecto a la Clase A .
Sin embargo, como el amplificador de Clase B está polarizado de modo que la corriente de salida fluye a través de cada transistor durante solo la mitad del ciclo de entrada, la forma de onda de salida no es, por lo tanto, una réplica exacta de la forma de onda de entrada, ya que la señal de salida está distorsionada. Esta distorsión se produce en cada cruce por cero de la señal de entrada produciendo lo que generalmente se llama distorsión de cruce cuando los dos transistores se encienden entre sí.
Este problema de distorsión se puede superar fácilmente ubicando el punto de desviación del transistor ligeramente por encima del corte. Al presionar al transistor ligeramente por encima de su punto de corte pero muy por debajo del punto Q central del amplificador de clase A, podemos crear un circuito de amplificador de clase AB. Luego, el propósito básico de un amplificador de Clase AB es preservar la configuración básica de Clase B y al mismo tiempo mejorar su linealidad al desviar cada transistor de conmutación ligeramente por encima del umbral.
Biasing A Class AB Amplifier
Entonces como hacemos esto. Se puede hacer un amplificador de Clase AB desde una etapa estándar de empuje y arrastre de Clase B, desviando ambos transistores de conmutación a una conducción ligera, incluso cuando no hay una señal de entrada presente. Esta pequeña disposición de desviación garantiza que ambos transistores se conduzcan simultáneamente durante una parte muy pequeña de la forma de onda de entrada en más del 50% del ciclo de entrada, pero menos del 100%.
La banda muerta de 0,6 a 0,7 V (un diodo delantero de caída) que produce el efecto de distorsión cruzada en amplificadores de Clase B se reduce en gran medida mediante el uso de polarización adecuada. La polarización previa de los dispositivos de transistores se puede lograr de varias maneras diferentes utilizando una polarización de tensión preestablecida, una red divisora de tensión o utilizando una disposición de diodos conectados en serie.
Ampliación de voltaje de amplificador de clase AB
Aquí, la polarización de los transistores se logra utilizando una tensión de polarización fija adecuada aplicada a las bases de TR1 y TR2 . Luego hay una región en la que ambos transistores están conduciendo y la pequeña corriente del colector inactivo que fluye a través de TR1 se combina con la pequeña corriente del colector inactivo que fluye a través de TR2 y en la carga.
Cuando la señal de entrada se hace positiva, el voltaje en la base de TR1 aumenta produciendo una salida positiva de una cantidad similar que aumenta la corriente de colector fluye a través de TR1 actual de abastecimiento a la carga, R L . Sin embargo, debido a que el voltaje entre las dos bases es fijo y constante, cualquier aumento en la conducción de TR1 causará una disminución igual y opuesta en la conducción de TR2durante el semiciclo positivo.
Como resultado, el transistor TR2 finalmente se apaga, dejando el transistor polarizado hacia adelante, TR1 para suministrar toda la ganancia de corriente a la carga. Del mismo modo, para la mitad negativa de la tensión de entrada ocurre lo contrario. Es decir, TR2conduce a la disminución de la corriente de carga, mientras que TR1 se apaga a medida que la señal de entrada se vuelve más negativa.
Entonces podemos ver que cuando el voltaje de entrada, V IN es cero, ambos transistores son ligeramente conductores debido a su polarización de voltaje, pero a medida que el voltaje de entrada se vuelve más positivo o negativo, uno de los dos transistores conduce más o bien el hundimiento de la fuente de la carga. corriente. Como el cambio entre los dos transistores ocurre casi instantáneamente y es suave, la distorsión cruzada que afecta a la configuración de Clase B se reduce considerablemente. Sin embargo, una desviación incorrecta puede provocar picos de distorsión de cruce cuando los dos transistores cambian.
El uso de un voltaje de polarización fijo permite que cada transistor conduzca durante más de la mitad del ciclo de entrada, (operación de Clase AB). Sin embargo, no es muy práctico tener baterías adicionales dentro del diseño de la etapa de salida de los amplificadores. Una forma muy simple y fácil de producir dos voltajes de polarización fijos para establecer un punto Q estable cerca del corte de los transistores, es usar una red divisora de voltaje resistiva.
Ampliación de la resistencia del amplificador de clase AB
Cuando una corriente pasa a través de una resistencia, se desarrolla una caída de voltaje a través de la resistencia según lo define la ley de Ohm. Por lo tanto, al colocar dos o más resistencias en serie a través de un voltaje de suministro, podemos crear una red divisora de voltaje que produce un conjunto de voltajes fijos a los valores de nuestra elección.
El circuito básico es similar al circuito de polarización de voltaje anterior en que los transistores, TR1 y TR2 conducen durante los semiciclos opuestos de la forma de onda de entrada. Es decir, cuando V IN in es positivo, TR1 conduce y cuando V IN es negativo, TR2 conduce.
Las cuatro resistencias R1 a R4 están conectadas a través de la tensión de alimentación Vcc para proporcionar la polarización resistiva requerida. Las dos resistencias, R1 y R4,se eligen para establecer el punto Q ligeramente por encima del límite, con el valor correcto de V BE establecido en aproximadamente 0.6V, de modo que las caídas de voltaje a través de la red resistiva lleven la base de TR1 a aproximadamente 0.6 V, y la de TR2 a aproximadamente –0.6V.
Luego, la caída de voltaje total a través de las resistencias de polarización R2 y R3 es de aproximadamente 1.2 voltios, lo que está justo por debajo del valor requerido para encender cada transistor por completo. Al sesgar los transistores justo por encima del corte, el valor de la corriente del colector inactivo, I CQ , debe ser cero. Además, dado que ambos transistores de conmutación están conectados efectivamente en serie a través del suministro, la caída de voltaje de V CEQ a través de cada transistor será aproximadamente la mitad de Vcc .
Mientras que la polarización resistiva de un amplificador de Clase AB funciona en teoría, una corriente de colector de transistores es muy sensible a los cambios en su voltaje de polarización de base, V BE . Además, el punto de corte de los dos transistores complementarios puede no ser el mismo, por lo que encontrar la combinación correcta de resistencias dentro de la red divisora de voltaje puede ser problemático. Una forma de superar esto es usar una resistencia ajustable para establecer el punto Q correcto como se muestra.
Ampliación ajustable de polarización
Se puede usar una resistencia ajustable o un potenciómetro para desviar ambos transistores al borde de la conducción. Luego, los transistores TR1 y TR2 están polarizados a través de R B1 -VR1-R B2, de modo que sus salidas están equilibradas y la corriente de reposo cero fluye hacia la carga.
La señal de entrada que se aplica a través de los condensadores C1 y C2 se superpone a los voltajes de polarización y se aplica a las bases de ambos transistores. Tenga en cuenta que ambas señales aplicadas a cada base tienen la misma frecuencia y amplitud que se originaron desde V IN .
La ventaja de esta disposición de polarización ajustable es que el circuito amplificador básico no requiere el uso de transistores complementarios con características eléctricas muy similares o una relación de resistencia exacta dentro de la red divisora de voltaje, ya que el potenciómetro se puede ajustar para compensar.
Como las resistencias son dispositivos pasivos que convierten la energía eléctrica en calor debido a su potencia nominal, la polarización resistiva de un amplificador de Clase AB, ya sea fija o ajustable, puede ser muy sensible a los cambios de temperatura. Cualquier pequeño cambio en la temperatura de funcionamiento de las resistencias de polarización (o transistores) puede afectar su valor y producir cambios indeseables en la corriente del colector inactivo de cada transistor. Una forma de superar este problema relacionado con la temperatura es reemplazar las resistencias con diodos para usar la polarización de diodos.
Ampliación de diodos de clase AB
Si bien el uso de resistencias de polarización puede no resolver el problema de la temperatura, una manera de compensar cualquier variación relacionada con la temperatura en el voltaje del emisor de base, ( V BE ) es usar un par de diodos polarizados hacia adelante normales dentro de la disposición de polarización de los amplificadores, como se muestra .
Una pequeña corriente constante fluye a través del circuito en serie de R1-D1-D2-R2 , produciendo caídas de voltaje que son simétricas a cada lado de la entrada. Sin tensión de señal de entrada aplicada, el punto entre los dos diodos es cero voltios. A medida que la corriente fluye a través de la cadena, hay una caída de voltaje de polarización directa de aproximadamente 0.7V a través de los diodos que se aplica a las uniones de base-emisor de los transistores de conmutación.
Por lo tanto, la caída de voltaje a través de los diodos, desvía la base del transistor TR1 a aproximadamente 0.7 voltios, y la base del transistor TR2 a aproximadamente –0.7 voltios. Por lo tanto, los dos diodos de silicio proporcionan una caída de voltaje constante de aproximadamente 1.4 voltios entre las dos bases que los desvían por encima del corte.
A medida que aumenta la temperatura del circuito, también lo hace la de los diodos, ya que están ubicados junto a los transistores. El voltaje a través de la unión PN del diodo disminuye la desviación de la corriente de base de los transistores, lo que estabiliza la corriente del colector de los transistores.
Si las características eléctricas de los diodos coinciden estrechamente con las de la unión entre los emisores de base y los transistores, la corriente que fluye en los diodos y la corriente en los transistores serán las mismas creando lo que se denomina espejo de corriente. El efecto de este espejo de corriente compensa las variaciones de temperatura que producen la operación de Clase AB requerida, eliminando así cualquier distorsión de cruce.
En la práctica, la polarización de diodos se logra fácilmente en los amplificadores de circuito integrado de hoy en día, ya que tanto el diodo como el transistor de conmutación se fabrican en el mismo chip, como en el popular amplificador de potencia de audio LM386 IC. Esto significa que ambos tienen curvas de características idénticas en un amplio cambio de temperatura que proporciona una estabilización térmica de la corriente de reposo.Amplificador de potencia de audioLM386 IC. Esto significa que ambos tienen curvas de características idénticas en un amplio cambio de temperatura que proporciona una estabilización térmica de la corriente de reposo.
La polarización de una etapa de salida de amplificador de Clase AB generalmente se ajusta para adaptarse a una aplicación de amplificador particular. La corriente de reposo del amplificador se ajusta a cero para minimizar el consumo de energía, como en el funcionamiento de Clase B, o se ajusta para que fluya una corriente de reposo muy pequeña que minimice la distorsión de cruce, lo que produce un verdadero funcionamiento del amplificador de Clase AB.
En los ejemplos de desviación de Clase AB anteriores, la señal de entrada se acopla directamente a las bases de los transistores de conmutación mediante el uso de condensadores. Pero podemos mejorar un poco más la etapa de salida de un amplificador de Clase AB mediante la adición de una simple etapa de controlador de emisor común, como se muestra.
Amplificador de clase AB Etapa del controlador
El transistor TR3 actúa como una fuente de corriente que configura la corriente de polarización de CC requerida que fluye a través de los diodos. Esto establece el voltaje de salida inactivo como Vcc / 2 . A medida que la señal de entrada controla la base de TR3, actúa como una etapa amplificadora que controla las bases de TR1 y TR2 con la mitad positiva del ciclo de entrada que activa TR1 mientras que TR2 está desactivada y la mitad negativa del ciclo de entrada que activa TR2 mientras que TR1 está desactivada. apagado, lo mismo que antes.
Al igual que con la mayoría de los circuitos electrónicos, hay muchas maneras diferentes de diseñar una etapa de salida de amplificadores de potencia, ya que se pueden hacer muchas variaciones y modificaciones a un circuito de salida de amplificador básico. El trabajo de un amplificador de potencia es entregar un nivel apreciable de potencia de salida (tanto de corriente como de voltaje) a la carga conectada con un grado razonable de eficiencia. Esto se puede lograr operando el (los) transistor (es) en uno de los dos modos de operación básicos, Clase A o Clase B.
Una forma de operar un amplificador con un nivel razonable de eficiencia es usar una etapa de salida clase B simétrica basada en transistores NPN y PNP complementarios. Con un nivel adecuado de desviación hacia adelante, es posible reducir cualquier distorsión de cruce como resultado de que los dos transistores estén cortados durante un breve período de cada ciclo y, como hemos visto anteriormente, este circuito se conoce como Clase AB amplificador.
Luego, reuniéndolo todo, ahora podemos diseñar un simple circuito amplificador de potencia de Clase AB como se muestra, produciendo aproximadamente un vatio en 16 ohmios con una respuesta de frecuencia de aproximadamente 20Hz a 20kHz.
Amplificador de clase AB
Resumen del amplificador de clase AB
Hemos visto aquí que un amplificador de Clase AB está polarizado de modo que la corriente de salida fluye durante menos de un ciclo completo de la forma de onda de entrada, pero más de medio ciclo. La implementación de los amplificadores de Clase AB es muy similar a las configuraciones estándar de Clase B, ya que utiliza dos transistores de conmutación como parte de una etapa de salida complementaria con cada transistor conduciendo en semiciclos opuestos de la forma de onda de entrada antes de combinarse en la carga.
Por lo tanto, al permitir que ambos transistores de conmutación conduzcan la corriente al mismo tiempo durante un período muy corto, la forma de onda de salida durante el período de cruce de cero puede suavizarse sustancialmente, reduciendo la distorsión de cruce asociada con el diseño del amplificador de Clase B. Entonces el ángulo de conducción es mayor que 180 o pero mucho menor que 360 o .
También hemos visto que una configuración de amplificador de Clase AB es más eficiente que un amplificador de Clase A pero un poco menos eficiente que la de una Clase B debido a la pequeña corriente de reposo necesaria para desviar los transistores justo por encima del corte. Sin embargo, el uso de una desviación incorrecta puede causar picos de distorsión de cruce que producen una condición peor.
Dicho esto, los amplificadores de Clase AB son uno de los diseños de amplificadores de potencia de audio más preferidos debido a su combinación de eficiencia razonablemente buena y salida de alta calidad, ya que tienen una baja distorsión de cruce y una alta linealidad similar al diseño del amplificador de Clase A.
