Scopul fiecărui amplificator este de a produce o ieșire care să urmeze caracteristicile semnalului de intrare, dar este suficient de mare pentru a satisface nevoile sarcinii conectate la acesta.

Am văzut că puterea de ieșire a unui amplificator este produsul tensiunii și curentului (P = VxI) aplicat sarcinii, în timp ce puterea de intrare este produsul tensiunii și curentului DC preluate de la sursa de alimentare.

Deși amplificarea unui amplificator clasă A (unde tranzistorul de ieșire conduce 100% din timp) poate fi mare, eficiența conversiei de la sursa DC la o ieșire de putere AC este în general slabă, la mai puțin de 50%. Totuși, dacă modificăm circuitul amplificatorului clasă A pentru a funcționa în clasă B (unde fiecare tranzistor conduce doar 50% din timp), curentul de colector curge în fiecare tranzistor timp de numai 180° din ciclu. Avantajul este că eficiența de conversie DC-AC este mult mai mare, la aproximativ 75%, dar această configurație clasă B duce la distorsionarea semnalului de ieșire, care poate fi inacceptabilă.

O cale de a produce un amplificator cu ieșire de înaltă eficiență a configurației clasă B împreună cu distorsiunea scăzută a configurației clasă A este de a crea un circuit amplificator care este o combinație a celor două clase precedente, rezultând un nou tip de circuit amplificator numit amplificator de clasă AB. Atunci, etajul de ieșire al amplificatorului clasă AB combină avantajele amplificatorului clasă A și amplificatorului clasă B, reducând în același timp problemele legate de eficiența scăzută și distorsiunea asociată acestora.

Așa cum am spus mai sus, amplificatorul clasă AB este o combinație de clase A și B, deoarece pentru ieșiri de putere mică amplificatorul funcționează ca amplificator de clasă A, dar se transformă într-un amplificator de clasă B pentru ieșiri de curent mai mari. Această acțiune este realizată prin pre-polarizarea celor două tranzistoare în etajul de ieșire a amplificatoarelor. Deci, fiecare tranzistor va conduce între 180° și 360° din timp, în funcție de cantitatea de curent de și pre-polarizare. Astfel, etajul de ieșire al amplificatorului funcționează ca un amplificator clasă AB.

În primul rând, priviți la o comparație a semnalelor de ieșire pentru diferite clase de operare ale amplificatorului.

Compararea diferitelor clase de amplificatoare

Atunci clasele de amplificatoare sunt definite întotdeauna după cum urmează:

• Clasa A: amplificatoarele unde singurul tranzistor de ieșire conduce pe întregul ciclu de 360° al undei de intrare.

• Clasa B: amplificatoarele unde două tranzistoare de ieșire conduc numai pentru o jumătate de ciclu, adică 180°, al formei de undă de intrare.

• Clasa AB: Amplificatoarele cu două tranzistoare de ieșire ce conduc între 180° și 360° din ciclul formei de undă de intrare.

Operarea în clasa A

Principalul avantaj al clasei A este că semnalul de ieșire va fi întotdeauna o reproducere exactă a semnalului de intrare reducând distorsiunea. Dar, suferă de o eficiență slabă, deoarece pentru a polariza tranzistorul în centrul liniei de sarcină, trebuie să existe întotdeauna un curent static DC adecvat care curge prin tranzistorul de comutare, chiar dacă nu există semnal de intrare pentru amplificare.

Operarea în clasa B

Datorită polarizării cut-off, curentul static este zero când nu există nici un semnal de intrare, prin urmare nici o putere nu este disipată sau risipită atunci când tranzistoarele sunt în starea de repaus, crescând eficiența globală a unui amplificator clasă B față de clasa A.

Dar, deoarece amplificatorul clasă B este polarizat astfel încât curentul de ieșire să curgă prin fiecare tranzistor numai pentru o alternanță din ciclul de intrare, forma de undă de ieșire nu este deci o replică exactă a formei de undă de intra-re, deoarece semnalul de ieșire este distorsionat. Această distorsiune apare la fiecare trecere prin zero a semnalului de intrare, producând ceea ce se numește în general distorsiune crossover, deoarece cele două tranzistoare comută "ON" între ele.

Această problemă de denaturare poate fi depășită cu ușurință prin localizarea punctului de polarizare al tranzistorului, ușor deasupra cut-off. Prin polarizarea tranzistorului ușor deasupra punctului său de cut-off, dar mult sub punctul-Q central al amplificatorului clasă A, putem crea un circuit amplificator clasă AB. Atunci scopul principal al unui amplificator clasă AB este de a păstra configurația de bază clasă B, îmbunătățind în același timp liniaritatea prin polarizarea fiecărui tranzistor de comutare ușor deasupra pragului.

Polarizarea unui amplificator clasa AB

Cum facem asta? Un amplificator clasă AB poate fi realizat dintr-un etaj push-pull standard clasă B, prin polarizarea ambelor tranzistoare de comutare în conducție ușoară, chiar și atunci când nu există semnal de intrare. Acest aranjament de mică polarizare asigură că ambele tranzistoare conduc simultan în timpul unei foarte mici părți a formei de undă de intrare cu mai mult de 50% din ciclul de intrare, dar mai puțin de 100%.

Banda moartă de la 0,6 la 0,7 V (cădere de tensiune directă pe o diodă ) care produce efectul de distorsiune crossover în amplificatoarele clasă B este redusă foarte mult prin utilizarea unei polarizări adecvate. Pre-polarizarea dispozitivelor poate fi realizată într-un număr de moduri diferite utilizând fie o polarizare de tensiune presetată, o rețea divizor de tensiune, fie prin utilizarea unui aranjament de diode conectate în serie.

Polarizarea unui amplificator clasa AB

În acest caz, polarizarea tranzistoarelor este realizată prin utilizarea unei tensiuni de polarizare fixă, ​​adecvată, aplicată bazelor TR1 și TR2. Deci, există o regiune în care ambele tranzistoare conduc și un mic curent static de colector care circulă prin TR1 se combină cu un mic curent static de colector care trece prin TR2 și în sarcină.

Când semnalul de intrare este pozitiv, tensiunea pe baza TR1 crește producând o putere pozitivă de o cantitate similară care crește curentul de colector care curge prin TR1 și este livrat la sarcina RL. Totuși, deoarece tensiunea dintre cele două baze este fixă ​​și constantă, orice creștere a conducției TR1 va determina o scădere egală și opusă în conducția lui TR2 pe durata alternanței pozitive a ciclului.

Ca rezultat, tranzistorul TR2 comută eventual OFF, lăsând tranzistorul polarizat direct TR1 să furnizeze tot câștigul de curent la sarcină. De asemenea, pentru alternanța negativă a tensiunii de intrare apare opusul. Adică TR2 conduce absorbind curentul de sarcină, în timp ce TR1 comută OFF deoarece semnalul de intrare devine mai negativ.

Putem vedea că atunci când tensiunea de intrare Vin este zero, ambele tranzistoare sunt ușor în conducție din cauza polarizării lor de tensiune, dar când tensiunea de intrare devine mai pozitivă sau negativă, unul dintre cele două tranzistoare conduce mai mult, fie livrând, fie absorbind curent în (din) sarcină. Întrucât comutarea între cele două tranzistoare are loc aproape instantaneu și este una netedă, distorsiunea crossover care afectează configurația clasă B este mult redusă. Totuși, polarizarea incorectă poate provoca vârfuri ascuțite de distorsiune crossover, deoarece cele două tranzistoare comută peste.

Utilizarea unei tensiuni de polarizare fixă ​​permite fiecărui tranzistor să conducă mai mult de o alternanță din ciclul de intrare (operare clasa AB). Totuși, nu este foarte practic să ai baterii suplimentare în schema etajului de ieșire al amplificatorului. O cale foarte simplă și ușoară de a produce două tensiuni de polarizare fixă ​​pentru a stabili un punct-Q stabil în apropierea punctului de cut-off al tranzistoarelor este de a utiliza o rețea rezistivă de divizor de tensiune.

Polarizarea cu rezistor a unui amplificator Clasa AB

Când un curent trece printr-un rezistor, o cădere de tensiune este dezvoltată pe rezistor, așa cum este definită de legea lui Ohm. Prin plasarea a două sau mai multe rezistoare în serie cu o tensiune de alimentare putem crea o rețea de divizare a tensiunii care produce un set de tensiuni fixe la valorile alese de noi.

Circuitul de bază este similar circuitului de polarizare a tensiunii de mai sus în care tranzistoarele TR1 și TR2 conduc pe durata alternanțelor unei forme de undă de intrare. Atunci când VIN este pozitivă, TR1 conduce și atunci când VIN este negativă, TR2 conduce.

Cele patru rezistoare R1 la R4 sunt conectate prin tensiunea de alimentare Vcc pentru a realiza polarizarea rezistivă necesară. Cele două rezistoare R1 și R4 sunt alese pentru a seta punctul-Q ușor deasupra cut-off cu valoarea corectă a lui VBE fiind setată la aproximativ 0,6 V astfel încât căderea de tensiune pe rețeaua rezistivă aduce baza lui TR1 la aproximativ 0,6 V, și cea a lui TR2 la aproximativ -0,6 V.

Atunci, căderea totală de tensiune pe rezistoarele de polarizare R2 și R3 este de aproximativ 1,2 volți, care este chiar sub valoarea necesară pentru a comuta complet-ON fiecare tranzistor. Prin polarizarea tranzistoarelor deasupra cut-off, valoarea curentului de colector în staționare ICQ, ar trebui să fie zero. De asemenea, deoarece ambele tranzistoare de comutare sunt efectiv conectate în serie cu întreaga alimentare, cădere de tensiune VCEQ pe fiecare tranzistor va fi aproximativ o jumătate de Vcc.

În timp ce polarizarea rezistivă a unui amplificator clasă AB funcționează teoretic, un curent de colector al tranzistorului este foarte sensibil la schimbările în tensiunea de polarizare a bazei VBE. De asemenea, punctul cut-off al celor două tranzistoare complementare nu poate fi același, găsirea unei combinații corecte de rezistoare în cadrul rețelei divizor de tensiune poate fi dificilă. O cale de a depăși acest lucru este utilizarea unui rezistor reglabil, pentru a seta corect punctul-Q, așa cum este arătat.

Polarizare reglabilă

Un rezistor ajustabil, sau potențiometru, poate fi folosit pentru a polariza ambele tranzistoare să ajungă la punctul de conducție. Atunci, tranzistoarele TR1 și TR2 sunt polarizate prin RB1-VR1-RB2, astfel încât ieșirile lor sunt echilibrate și curent static zero circulă în sarcină.

Semnalul de intrare, care este aplicat prin condensatoarele C1 și C2, este suprapus peste tensiunile de polarizare și este aplicat la bazele ambelor tranzistoare. Notați că ambele semnale aplicate fiecărei baze au aceeași frecvență și amplitudine deoarece au provenit de la VIN.

Avantajul acestui aranjament de polarizare reglabilă este că circuitul amplificatorului nu necesită utilizarea unor tranzistoare complementare cu caracteristici electrice apropiate sau un raport rezistor exact în cadrul rețelei divizorului de tensiune, deoarece potențiometrul poate fi reglat pentru a compensa.

Deoarece rezistoarele sunt dispozitive pasive care transformă energia electrică în căldură datorită puterii lor nominale, polarizarea rezistivă a amplificatorului clasă AB, fie fixă, fie reglabilă, poate fi foarte sensibilă la variații de temperatură. Orice mici variații ale temperaturii de funcționare a rezistoarelor de polarizare (sau a tranzistoarelor) pot afecta valoarea acestora, producând variații nedorite în curentul static de colector al fiecărui tranzistor. O cale de a depăși această problemă legată de temperatură este aceea de a înlocui rezistoarele cu diode pentru a utiliza polarizarea diodelor.

Polarizarea cu diode a unui amplificator clasa AB

În timp ce utilizarea rezistoarelor de polarizare poate să nu rezolve problema temperaturii, una dintre modalitățile de a compensa orice variație a temperaturii în tensiunea bază-emitor (VBE) este utilizarea unei perechi de diode polarizate normal, direct în aranjamentului de polarizare a amplificatoarelor.

Un mic curent constant trece prin circuitul serie R1-D1-D2-R2, producând căderi de tensiune care sunt simetrice pe fiecare parte a intrării. Dacă tensiunea semnalului de intrare nu este aplicată, punctul dintre cele două diode este zero volți. Deoarece curentul curge prin lanț, există o cădere de tensiune de polarizare directă de aproximativ 0,7 V pe diode care se aplică la joncțiunile bază-emitor ale tranzistoarelor de comutare.

Deci, căderea de tensiune pe diode, polarizează baza tranzistorului TR1 la aproximativ 0,7 V și baza tranzistorului TR2 la aproximativ -0,7 V. Astfel, cele două diode de siliciu asigură o cădere constantă de tensiune de aproximativ 1,4 volți între cele două baze, polarizându-le deasupra cut-off.

Pe măsură ce temperatura circuitului crește, la fel se întâmplă și cu cea a diodelor, deoarece acestea sunt situate lângă tranzistoare. Tensiunea pe joncțiunea PN a diodei scade astfel deviind ceva din curentul de bază al tranzistoarelor și stabilizând curentul de colector al tranzistoarelor.

În cazul în care caracteristicile electrice ale diodelor sunt strâns corelate cu cele ale joncțiunilor bază-emițător ale tranzistoarelor, curentul care circulă prin diode și curentul din tranzistoare vor fi la fel, creând ceea ce se numește o oglindă de curent. Efectul acestei oglinzi de curent compensează variațiile de temperatură, producând operarea de clasă AB necesară, eliminând astfel orice distorsiune crossover.

În practică, polarizarea diodelor se realizează cu ușurință în amplificatoarele moderne cu circuit integrat, deoarece atât dioda, cât și tranzistorul de comutare sunt fabricate pe același cip, cum ar fi în popularul IC amplificator de putere audio LM386. Înseamnă că ambele au curbe caracteristice identice față de o variație mare de temperatură, asigurând stabilizarea termică a curentului staționar.

Polarizarea unui etaj de ieșire al amplificatorului clasă AB este în general ajustată pentru a se potrivi cu o anumită aplicație a amplificatorului. Curentul staționar al amplificatorului este ajustat la zero pentru a reduce la minimum consumul de energie, ca și în cazul funcționării clasa B sau ajustat pentru un debit foarte mic, care va minimiza distorsiunea crossover, producând o funcționare a amplificatorului de clasă AB adevărată.

În exemplele de polarizare clasă AB de mai sus, semnalul de intrare este cuplat direct la bazele tranzistoarelor de comutare prin utilizarea condensatoarelor. Dar putem îmbunătăți etajul de ieșire al unui amplificator clasă AB prin adăugarea unui etaj driver simplu cu emitor-comun, după cum se arată.

Etaj de comandă (driver) pentru un amplificator clasă AB

Tranzistorul TR3 acționează ca o sursă de curent care stabilește curentul de polarizare DC necesar, care curge prin diode. Aceasta stabilește tensiunea de ieșire staționară la Vcc/2. Deoarece semnalul de intrare comandă baza TR3, el acționează ca un etaj de amplificare comandând bazele TR1 și TR2 cu alternanța pozitivă a ciclului de intrare comandând TR1 în timp ce TR2 este OFF și alternanța negativă a ciclului de intrare comandând TR2 în timp ce TR1 este OFF, la fel ca înainte.

Ca și în cazul majorității circuitelor electronice, există multe modalități diferite de a proiecta un etaj de ieșire al amplificatorului de putere, deoarece pot fi efectuate multe modificări și variațiuni la un circuit de ieșire al amplificatorului. Funcția unui amplificator de putere este de a furniza un nivel apreciabil de putere de ieșire (atât curent cât și tensiune) la sarcina conectată, cu un grad rezonabil de eficiență. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea tranzistorului (tranzistoarelor) în unul din cele două moduri de funcționare de bază, clasa A sau clasa B.

O modalitate de operare a unui amplificator cu un nivel rezonabil de eficiență este utilizarea unui etaj de ieșire simetric clasă B bazat pe tranzistoare complementare NPN și PNP. Cu un nivel adecvat de polarizare directă, este posibil să se reducă orice distorsiune crossover ca urmare a faptului că cele două tranzistoare sunt cut-off pentru o scurtă perioadă a fiecărui ciclu și așa cum am văzut mai sus, un astfel de circuit este cunoscut ca un amplificator clasă AB.

Atunci, punând totul împreună, putem proiecta un circuit simplu de amplificator de putere clasa AB așa cum se arată, producând aproximativ un watt pe 16 ohmi cu un răspuns în frecvență de aproximativ 20Hz până la 20kHz.

Amplificator clasă AB

Rezumat Amplificator clasa AB

Am văzut că un amplificator clasă AB este polarizat astfel încât curentul de ieșire să curgă pentru mai puțin de un ciclu complet al formei de undă de intrare, dar mai mult de o jumătate de ciclu. Implementarea amplificatoarelor clasă AB este foarte similară cu configurațiile clasa B standard, prin faptul că utilizează două tranzistoare de comutare ca parte a unui etaj de ieșire complementar, fiecare tranzistor conducând pe alternanțele opuse ale formei de undă de intrare înainte de a fi combinate la sarcină.

Astfel, permițând ambelor tranzistoare de comutare să conducă simultan curentul pentru o perioadă foarte scurtă, forma de undă de ieșire pe durata trecerii prin zero poate fi în mod substanțial netezită reducând distorsiunea crossover asociată cu amplificatorul clasă B. Atunci, unghiul de conducție este mai mare de 180°, dar mult mai mic decât 360°.

Am mai văzut că o configurație de amplificator clasă AB este mai eficientă decât un amplificator clasă A, dar ușor mai puțin eficientă decât clasa B datorită micului curent staționar necesar pentru a polariza tranzistoarele chiar deasupra cut-off. Dar, utilizarea unei polarizări incorecte poate cauza vârfuri de distorsiune crossover care produc o stare mai rea.

Acestea fiind spuse, amplificatorul clasă AB este unul dintre cele mai preferate modele de amplificator de putere audio datorită combinației de eficiență relativ bună și ieșire de înaltă calitate, având o distorsiune crossover mică și o înaltă liniaritate, similară cu schema amplificatorului clasă A.