Clasele Amplificatoarelor

Clasele amplificatoarelor

Clasă A

Cele mai simple amplificatoare audio sunt cu un singur capăt și aparțin clasei A, adică ei utilizează doar un singur tranzistor de ieșire, care întotdeauna conduce, indiferent de forma undei semnalului de ieșire. Clasa A are o linearitate bună (fidelitate bună/distorsiune redusă), dar o eficiență scăzută. Aceste amplificatoare sunt foarte rar folosite în etapele de ieșire a unui amplificator de putere, dar sunt ideale pentru intrări.

În fig. A.b am prezentat un model de amplificator de clasă A. Acest model e limitat la o putere maximă relativ scăzută (20 – 50 Watt per canal), se încălzește și are un cost ridicat de producție.

Fig. A.b Amplificator de clasă A

Semnalul de ieșire poate varia pentru un ciclu complet de 360°, după cum este prezentat în fig. A.b. Pentru realizarea acestei variații este nevoie de un punct Q să fie ales la un nivel în care măcar jumătate din semnalul de ieșire să varieze în sus și jos fără a atinge un nivel de tensiune prea mare pentru a nu depăși limitele sursei.

Fig. A.b Variația semnalului de ieșire

Amplificator clasă A Seria – FED

Conexiunea simplă prezentată în fig. A.b poate fi utilizată pentru a descrie caracteristicile principale ale unui amplificator de clasă A seria – FED. Singura diferență între acest circuit și versiunea pentru semnale mici este că semnalele manipulate de circuitul pentru semnale mare sunt pe scala volților și tranzistorul folosit este un tranzistor de putere capabil să funcționeze între 0W și câteva zeci de W.

Fig. A.b

Operațiunea de setare a punctului de DC Bias se realizează prin următoarele relații:

Puterea considerată:

Puterea de ieșire folosind semnale rms:

Puterea de ieșire folosind semnale de vârf:

Puterea de ieșire folosind semnale vârf-la-vârf:

Randamentul reprezintă cantitatea de energie AC transferată de la sursa de curent continuu. Randamentul este calculat utilizând relația:

Randamentul maxim pentru amplificatoarele de clasă A seria – FED poate fi determinată folosind tensiunea maximă și oscilațiile de curent. Pentru oscilațiile de tensiune se foloșeste relația:

Pentru oscilațiile de curent folosim relația:

Folosind relația (*) obținem următoarea ecuație:

Puterea maximă de intrare poate fi calculată folosind curentul DC de polarizare setat la jumătate din valoarea maximă:

Folosind relația (b) putem calcula randamentul maxim:

Clasă B

Într-un amplificator push-pull de clasă B fiecare tranzistor de ieșire conduce doar pentru o jumătate (180°) a formei de undă a semnalului. Atunci când nu există niciun semnal sau niciun tranzistor nu conduce – exact opusul amplificatoarelor de clasă A, tranzistorul NPN trece doar părțile pozitive ale semnalului, lăsând tranzistorul PNP oprit. Pe de altă parte, tranzistorul de jos trece doar părțile negative ale semnalului, lăsând trazistorul de sus oprit, cum este prezentat în fig. A.b. Amplificatoarele de clasă B sunt mai eficiente decât cele din clasa A, dar au o distorsiune ridicată datorată neliniarității brute la punctul de crossover, unde fac tranziția tranzistorii din oprit și pornit. Această formă de distorsiune – numită distorsiune de crossover – este neplăcută urechii și niciun producător nu folosește modelul pur al clasei B.

Fig. A.b Amplificator de clasă B.

Un circuit de amplificare din clasa B asigură un semnal de ieșire care variază peste jumătate din ciclul semnalului de intrare sau 180° din semnal, cum este prezentat in fig. A.b.

Fig. A.b Variația semnalului de ieșire

Punctul DC de polarizare pentru clasa B este la 0 V, cu ieșirea variind apoi din acest punct cu jumătate de ciclu. Evident, semnalul de ieșire nu este o reproducere fidelă a celui de intrare decât dacă avem jumătate de ciclu. Două operații de clasă B sunt necesare:

– una să asigure ieșire pe jumătatea pozitivă din ciclu

– cealaltă să asigure funcționare pe jumătatea negativă din ciclu

Cele două operații combinate furnizează o ieșire pentru un ciclu complet de 360°. Acest tip de conexiune este denumit push-pull și va fi prezentat mai târziu în acest capitol. Funcționarea din clasa B creeaza de la sine un semnal de ieșire foarte distorsionat, deoarece reproducerea de la intrare are loc numai pentru 180° a oscilației semnalului de intrare. Un exemplu de circuit de amplificare din clasa B este ilustrat în fig. A.b.

Fig. A.b Circuit de amplificare din clasa B

Tensiunea de intrare la vârf se calculează după formula:

Deoarece tensiunea rezultată din întreaga sarcină este în mod ideal identică cu cea a semnalui de intrare obținem relația:

Puterea de ieșire dezvoltată în sarcină este:

Curentul de sarcină la vârf este:

Curentul DC furnizat este calculat după formula:

Puterea furnizată în circuit este:

Puterea disipată pe fiecare tranzistor de ieșire este:

Randamentul circuituilui (pentru intrare de 12 V, semnale rms) este:

Puterea maximă de intrare se calculează după relația:

Puterea maximă de ieșire este dată după formula:

Randamentul maxim este:

Pentru a obține puterea maximă de funcționare tensiunea de ieșire trebuie să fie:

Puterea disipată de tranzistorii de ieșire este:

Puterea maximă disipată de tranzistorii de ieșire se calculează astfel:

Disipația maximă se obține după formula:

Distorsiunea amplificatorului

Un semnal pur sinusoidal are o singură frecvență la care tensiunea variază pozitiv și negativ în cantități egale. Orice semnal care variază puțin peste ciclul complet de 360° este considerat că are distorsiune. Un amplificator ideal este capabil de a amplifica un semnal pur sinusoidal pentru a oferi o versiune amplificată, forma de undă rezultată fiind un singur semnal sinusoidal cu o frecvență pură. Atunci când se produce o distorsiune a semnalului de ieșire, acesta nu va fi un duplicat exact (cu excepția magnitudinii) a semnalului de intrare.

Distorsiunea armonică

Un semnal este considerat distorsionat armonic atunci când are în componență frecvențe armonice (nu doar componente fundamentale). Dacă frecvența fundamentală are o amplitudine A1, iar cea de-a n componentă a frecvenței are o amplitudine An, atunci distorsiunea armonică poate fi definită prin relația:

Componenta fundamentală este mai mare decât componenta armonică.

Distorsiunea armonică totală

Atunci când un semnal de ieșire are un număr de componente de distorsiune armonice individuale, semnalul poate să aibă o distorsiune armonică totală bazată pe elementele individuale combinate, prin relația următoarei relații:

Clasă AB

O combinație între clasa A și clasa B, amplificatoarele de clasă AB au o eficiență crescută decât cele din clasa A, dar o distorsiune mult mai scăzută decât cele din clasa B. Acest lucru se realizează prin polarizarea ambilor tranzistorilor pentru a conduce puțin la zona semnalui de ieșire 0, punctul în care amplificatoarele de clasă B introduc neliniarități brute. Apoi trec în clasa B pentru curenți de semnal mare. Pentru fiecare design de amplificator va fi un curent optim de polarizare care reduce (dar nu elimină complet) distorsiunea crossover. Un curent de polarizare tipic este de 50 mA, deși cea mai redusă disipație în etajul de 100W este 80V x 50mA = 4 Watt. În fig. A.b este prezentat un model de amplificator de clasă AB.

Fig. A.b Amplificator de clasă AB