Diseño de amplificador de Clase AB y Polarización de Clase AB



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 ella.

Hemos visto que la salida de potencia de un amplificador es el producto de la tensión y la corriente, (P = VxI) aplicada a la carga, mientras que la entrada de potencia es el producto de la tensión 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 potencia de CA es generalmente pobre a menos del 50%. Sin embargo, si modificamos el circuito amplificador de Clase A para que funcione en el modo de Clase B (donde cada transistor conduce solo el 50% del tiempo), la corriente del colector fluye en cada transistor durante solo 180o del ciclo. La ventaja aquí es que la eficiencia de conversión de CC a CA es mucho mayor a 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 es una combinación de las dos clases anteriores, lo que da como resultado un nuevo tipo de circuito amplificador llamado un amplificador clase AB. Luego, la etapa de salida del amplificador 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 a ellos.

Como dijimos anteriormente, el amplificador Clase AB es una combinación de las Clases A y B en el sentido de que, para salidas de potencia pequeñas, 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 pre-polarizando los dos transistores en la etapa de salida de los amplificadores. Entonces, cada transistor conducirá entre 180 ° y 360 ° del tiempo, dependiendo de la cantidad de corriente de salida 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: El transistor de salida simple de los amplificadores conduce durante 360o completos del ciclo de la forma de onda de entrada.
Clase B: los amplificadores dos transistores de salida solo conducen a la mitad, es decir, 180o de la forma de onda de entrada.
Clase AB: los amplificadores dos transistores de salida conducen en algún lugar entre 180 ° y 360 ° de la forma de onda de entrada.

Operación Clase A

Para la operación de Clase A, el punto Q de los transistores de conmutación está ubicado cerca del centro de la línea de carga de características de salida del transistor y dentro de la región lineal. Esto permite que el transistor conduzca por el 360o completo de modo 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 reduciendo la distorsión. Sin embargo, adolece de una eficiencia deficiente, porque para polarizar el transistor en el centro de la línea de carga siempre debe haber una corriente de inactividad de CC adecuada que fluye a través del transistor de conmutación incluso si no hay señal de entrada para amplificar.

Operación Clase B


Para la operación 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 más de la mitad de la forma de onda de entrada, mientras que el otro transistor amplifica la otra mitad. Estas dos mitades amplificadas se combinan juntas en la carga para producir un ciclo completo de forma de onda. Este par complementario NPN-PNP también se conoce como una configuración push-pull.

Debido a la polarización de corte, la corriente de reposo es cero cuando no hay señal de entrada, por lo tanto, no se disipa ni desperdicia potencia cuando los transistores están en reposo, aumentando 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 manera que la corriente de salida fluya a través de cada transistor solo la mitad del ciclo de entrada, la forma de onda de salida no es una réplica exacta de la forma de onda de entrada ya que la señal de salida está distorsionada. Esta distorsión ocurre en cada cruce por cero de la señal de entrada produciendo lo que generalmente se llama distorsión cruzada cuando los dos transistores se "ponen en ON" entre sí.

Este problema de distorsión puede superarse fácilmente ubicando el punto de polarización del transistor ligeramente por encima del corte. Al polarizar el 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 amplificador de clase AB. Entonces, el objetivo básico de un amplificador de clase AB es preservar la configuración básica de clase B, mientras que al mismo tiempo mejora su linealidad polarizando cada transistor de conmutación ligeramente por encima del umbral.


Polarizar un amplificador de clase AB

Entonces como hacemos esto. Se puede hacer un amplificador Clase AB a partir de una etapa push-pull estándar de Clase B al presionar ambos transistores de conmutación en una conducción ligera, incluso cuando no hay señal de entrada presente. Esta pequeña disposición de polarización asegura que ambos transistores conducen 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 0.7V (caída de un diodo de ida hacia adelante) que produce el efecto de distorsión de cruce en los amplificadores de Clase B se reduce enormemente mediante el uso de polarización adecuada. La predisposición de los dispositivos de transistor se puede lograr de varias maneras diferentes usando una polarización de voltaje preestablecida, una red de divisor de voltaje o usando una disposición de diodos conectados en serie.

Clase AB Amplificador Voltaje de polarización




Entonces como hacemos esto. Se puede hacer un amplificador Clase AB a partir de una etapa push-pull estándar de Clase B al presionar ambos transistores de conmutación en una conducción ligera, incluso cuando no hay señal de entrada presente. Esta pequeña disposición de polarización asegura que ambos transistores conducen 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 0.7V (caída de un diodo de ida hacia adelante) que produce el efecto de distorsión de cruce en los amplificadores de Clase B se reduce enormemente mediante el uso de polarización adecuada. La predisposición de los dispositivos de transistor se puede lograr de varias maneras diferentes usando una polarización de voltaje preestablecida, una red de divisor de voltaje o usando una disposición de diodos conectados en serie.


Aquí la polarización de los transistores se logra utilizando un voltaje de polarización fijo adecuado aplicado a las bases de TR1 y TR2. Luego hay una región donde ambos transistores conducen y la pequeña corriente de colector inactiva que fluye a través de TR1 se combina con la pequeña corriente de colector inactiva que fluye a través de TR2 y hacia la carga.

Cuando la señal de entrada es positiva, la tensión en la base de TR1 aumenta produciendo una salida positiva de una cantidad similar que aumenta la corriente del colector que fluye a través de la corriente de abastecimiento TR1 a la carga, RL. 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 TR2 durante el medio ciclo positivo.

Como resultado, el transistor TR2 finalmente se apaga dejando el transistor polarizado hacia delante, TR1 para suministrar toda la ganancia actual a la carga. Del mismo modo, para la mitad negativa de la tensión de entrada ocurre lo contrario. Es decir, TR2 conduce hundiendo la corriente de carga mientras TR1 se apaga a medida que la señal de entrada se vuelve más negativa.

Entonces podemos ver que cuando el voltaje de entrada, Vin es cero, ambos transistores conducen levemente 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 menos a la corriente de carga . Como la conmutación entre los dos transistores se produce casi instantáneamente y es suave, la distorsión de cruce que afecta a la configuración de Clase B se reduce considerablemente. Sin embargo, la polarización incorrecta puede provocar picos de distorsión de cruce cruzado 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 Clase AB). Sin embargo, no es muy práctico tener baterías adicionales dentro del diseño de la etapa de salida de los amplificadores. Una manera muy simple y fácil de producir dos voltajes de polarización fijos para establecer un punto Q estable cerca del corte de transistores, es usar una red de divisor de voltaje resistivo.

Clase AB Amplificador Resistencia de polarización

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. Entonces, al colocar dos o más resistencias en serie a través de un voltaje de suministro, podemos crear una red de divisores de voltaje que produce un conjunto de voltajes fijos a los valores que elijamos.

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 VIN in es positivo, TR1 conduce y cuando VIN 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 ajustar el punto Q ligeramente por encima del corte con el valor correcto de VBE ajustado a aproximadamente 0,6 V, de modo que el voltaje caiga a través de la red resistiva que lleva la base de TR1 a aproximadamente 0,6 V , y el de TR2 a alrededor de -0.6V.

Entonces, la caída de voltaje total a través de las resistencias de polarización R2 y R3 es de aproximadamente 1,2 voltios, que está justo por debajo del valor requerido para encender completamente cada transistor. Al polarizar los transistores justo por encima del corte, el valor de la corriente del colector inactivo, ICQ, debe ser cero. Además, dado que ambos transistores de conmutación se conectan efectivamente en serie a través de la fuente, la caída del voltaje VCEQ 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, VBE. Además, el punto de corte de los dos transistores complementarios puede no ser el mismo, por lo que encontrar la combinación de resistencias correcta dentro de la red del divisor de voltaje puede ser problemático. Una forma de superar esto es usar una resistencia ajustable para establecer el punto Q correcto como se muestra.


Clase AB Amplificador Resistencia de polarización



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. Entonces, al colocar dos o más resistencias en serie a través de un voltaje de suministro, podemos crear una red de divisores de voltaje que produce un conjunto de voltajes fijos a los valores que elijamos.

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 VIN in es positivo, TR1 conduce y cuando VIN 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 ajustar el punto Q ligeramente por encima del corte con el valor correcto de VBE ajustado a aproximadamente 0,6 V, de modo que el voltaje caiga a través de la red resistiva que lleva la base de TR1 a aproximadamente 0,6 V , y el de TR2 a alrededor de -0.6V.

Entonces, la caída de voltaje total a través de las resistencias de polarización R2 y R3 es de aproximadamente 1,2 voltios, que está justo por debajo del valor requerido para encender completamente cada transistor. Al polarizar los transistores justo por encima del corte, el valor de la corriente del colector inactivo, ICQ, debe ser cero. Además, dado que ambos transistores de conmutación se conectan efectivamente en serie a través de la fuente, la caída del voltaje VCEQ 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, VBE. Además, el punto de corte de los dos transistores complementarios puede no ser el mismo, por lo que encontrar la combinación de resistencias correcta dentro de la red del divisor de voltaje puede ser problemático. Una forma de superar esto es usar una resistencia ajustable para establecer el punto Q correcto como se muestra.


Polarización ajustable



Se puede usar una resistencia ajustable o potenciómetro para polarizar ambos transistores al borde de la conducción. Luego, los transistores TR1 y TR1 están polarizados a través de RB1-VR1-RB2, 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 las dos señales aplicadas a cada base tienen la misma frecuencia y amplitud que las originadas en el VIN.

La ventaja de esta disposición de polarización ajustable es que el circuito amplificador básico no requiere el uso de transistores complementarios con características eléctricas estrechamente adaptadas o una relación de resistencia exacta dentro de la red del divisor de tensión ya que el potenciómetro puede ajustarse para compensar.

Como las resistencias son dispositivos pasivos que convierten la energía eléctrica en calor debido a su clasificación de potencia, la polarización resistiva de un amplificador Clase AB, ya sea fijo 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 produciendo cambios indeseables en la corriente de colector inactivo de cada transistor. Una forma de superar este problema relacionado con la temperatura es reemplazar las resistencias con diodos para usar polarización de diodos.


Clase AB Amplificador de polarización del diodo




Aunque el uso de resistencias de polarización puede no resolver el problema de temperatura, una forma de compensar cualquier variación relacionada con la temperatura en el voltaje base-emisor (VBE) es usar un par de diodos polarizados hacia adelante dentro de la disposición de polarización de 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 de 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 base-emisor de los transistores de conmutación.

Por lo tanto, la caída de voltaje en los diodos polariza 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 la temperatura del circuito aumenta, también lo hace la de los diodos, ya que se encuentran al lado de los transistores. El voltaje a través de la unión PN del diodo disminuye por lo tanto desviando parte de la corriente base del transistores estabilizando la corriente del colector de transistores. Si las características eléctricas de los diodos coinciden estrechamente con la de la unión base-emisor del transistor, la corriente que fluye en los diodos y la corriente en los transistores será la misma creando lo que se denomina un espejo de corriente. El efecto de este espejo de corriente compensa las variaciones de temperatura que producen la operación Clase AB requerida, eliminando así cualquier distorsión de cruce.

En la práctica, la polarización del diodo se logra fácilmente en los amplificadores de circuitos integrados modernos ya que tanto el diodo como el transistor de conmutación se fabrican en el mismo chip, como en el popular IC de amplificación de potencia de audio LM386. Esto significa que ambos tienen curvas de características idénticas en un amplio cambio de temperatura que proporciona estabilización térmica de la corriente de reposo.

La polarización de una etapa de salida del amplificador Clase AB generalmente se ajusta para adaptarse a una aplicación de amplificador particular. La corriente de reposo de los amplificadores se ajusta a cero para minimizar el consumo de energía, como en la operación de Clase B, o se ajusta para que fluya una corriente de reposo muy pequeña que minimice la distorsión de cruce produciendo una verdadera operación de amplificador Clase AB.

En los ejemplos de polarización de Clase AB anteriores, la señal de entrada se acopla directamente a las bases de transistores de conmutación usando condensadores. Pero podemos mejorar un poco más la etapa de salida de un amplificador Clase AB añadiendo una etapa sencilla de controlador de emisor común como se muestra.


Etapa de amplificador de clase AB




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. Como la señal de entrada maneja la base de TR3, actúa como una etapa de amplificador manejando las bases de TR1 y TR2 con la mitad positiva del ciclo de entrada manejando TR1 mientras TR2 está apagado y la mitad negativa del ciclo de entrada manejando TR2 mientras TR1 es apagado, lo mismo que antes.

Al igual que con la mayoría de los circuitos electrónicos, existen muchas formas diferentes de diseñar una etapa de salida de amplificadores de potencia, ya que se pueden realizar muchas variaciones y modificaciones en 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 de eficiencia razonable es usar una etapa de salida simétrica de Clase B basada en transistores NPN y PNP complementarios. Con un nivel adecuado de polarización directa es posible reducir cualquier distorsión de cruce como resultado de que los dos transistores estén cortados por un breve período de cada ciclo, y como hemos visto anteriormente, dicho circuito se conoce como Clase AB amplificador.

Luego, al unir todo, ahora podemos diseñar un circuito de amplificador de potencia Clase AB simple como se muestra, produciendo aproximadamente un vatio en 16 ohmios con una respuesta de frecuencia de aproximadamente 20Hz a 20kHz.


Amplificador clase AB




Resumen del amplificador de clase AB


Hemos visto aquí que un amplificador Clase AB está polarizado de modo que la corriente de salida fluya 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 de Clase B estándar en 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.

Así, 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 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 180o pero mucho más pequeño que 360o.

También hemos visto que una configuración de amplificador Clase AB es más eficiente que un amplificador de Clase A pero ligeramente menos eficiente que la de una Clase B debido a la pequeña corriente de reposo necesaria para polarizar los transistores justo por encima del corte. Sin embargo, el uso de polarización incorrecta puede causar picos de distorsión cruzada que producen una peor condición.

Una vez dicho esto, los amplificadores Clase AB son uno de los diseños de amplificador de audio más preferidos debido a su combinación de eficiencia razonablemente buena y salida de alta calidad ya que tienen baja distorsión cruzada y una alta linealidad similar al diseño del amplificador de Clase A.


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