Distorção cruzada em amplificadores

A distorção cruzada é uma característica comum dos amplificadores Classe B, onde as não linearidades dos dois transistores de comutação não variam linearmente com o sinal de entrada

Vimos que uma das principais desvantagens da configuração do amplificador Classe A é sua baixa classificação de eficiência de potência total devido a ser enviesada em torno de seu ponto-Q central.

Mas também sabemos que podemos melhorar o amplificador e quase dobrar sua eficiência simplesmente mudando o estágio de saída do amplificador para uma configuração do tipo push-pull Classe B. No entanto, isso é ótimo do ponto de vista da eficiência, mas a maioria dos amplificadores Classe B modernos são do tipo sem transformador ou complementares com dois transistores em seu estágio de saída.

Isso resulta em um problema fundamental principal com amplificadores push-pull em que os dois transistores não se combinam totalmente na saída de ambas as metades da forma de onda devido ao seu arranjo de polarização de corte de zero exclusivo. Como esse problema ocorre quando o sinal muda ou “cruza” de um transistor para o outro no ponto de tensão zero, ele produz uma quantidade de “distorção” na forma de onda de saída. Isso resulta em uma condição comumente chamada de distorção cruzada.

A distorção cruzada produz um “ponto plano” ou “banda morta” de tensão zero na forma de onda de saída à medida que passa de uma metade da forma de onda para a outra. A razão para isso é que o período de transição, quando os transistores estão mudando de um para o outro, não para ou começa exatamente no ponto de crossover zero, causando um pequeno atraso entre o primeiro transistor ser desligado e o segundo transistor girado “SOBRE”. Esse atraso resulta em ambos os transistores sendo desligados no mesmo instante, produzindo uma forma de onda de saída conforme mostrado abaixo.

Forma de onda de distorção cruzada

Para que não haja distorção da forma de onda de saída, devemos assumir que cada transistor começa a conduzir quando sua base para a voltagem do emissor sobe um pouco acima de zero, mas sabemos que isso não é verdade porque para os transistores bipolares de silício, a voltagem do emissor de base deve atingir pelo menos 0,7 V antes que o transistor comece a conduzir devido à queda de tensão direta do diodo da junção PN do emissor de base, produzindo assim este ponto plano. Este efeito de distorção cruzada também reduz o valor geral de pico a pico da forma de onda de saída, fazendo com que a potência máxima de saída seja reduzida conforme mostrado abaixo.

Características de transferência não linear

Este efeito é menos pronunciado para sinais de entrada grandes, pois a tensão de entrada é geralmente muito grande, mas para sinais de entrada menores, pode ser mais grave, causando distorção de áudio para o amplificador.

Pré-polarizando o resultado

O problema de distorção cruzada pode ser reduzido consideravelmente aplicando-se uma ligeira tensão de polarização de base direta (mesma ideia vista no tutorial do Transistor) às bases dos dois transistores através da derivação central do transformador de entrada, portanto, os transistores não são mais polarizados no ponto de corte zero, mas em vez disso são “pré-polarizados” em um nível determinado por esta nova tensão de polarização.

Amplificador push-pull com pré-polarização

Este tipo de pré-polarização do resistor faz com que um transistor seja “LIGADO” exatamente ao mesmo tempo que o outro transistor é “DESLIGADO”, já que ambos os transistores estão agora polarizados ligeiramente acima de seu ponto de corte original. No entanto, para conseguir isso, a tensão de polarização deve ser pelo menos duas vezes a da base normal para a tensão do emissor para ligar os transistores. Essa pré-polarização também pode ser implementada em amplificadores sem transformador que usam transistores complementares, simplesmente substituindo os dois resistores divisores de potencial por diodos de polarização, conforme mostrado abaixo.

Pré-polarização com diodos

Esta tensão de pré-polarização, seja para um transformador ou circuito amplificador sem transformador, tem o efeito de mover o ponto Q dos amplificadores além do ponto de corte original, permitindo que cada transistor opere dentro de sua região ativa por um pouco mais da metade ou 180º de cada meio ciclo. Em outras palavras, 180o + Bias. A quantidade de tensão de polarização do diodo presente no terminal base do transistor pode ser aumentada em múltiplos adicionando diodos adicionais em série. Isso então produz um circuito amplificador comumente chamado de Amplificador Classe AB e seu arranjo de polarização é dado abaixo.

Características de Saída Classe AB

Resumo de distorção cruzada

Então, para resumir, a distorção cruzada ocorre em amplificadores Classe B porque o amplificador é polarizado em seu ponto de corte. Isso resulta em AMBOS os transistores sendo desligados no mesmo instante em que a forma de onda cruza o eixo zero. Aplicando uma pequena tensão de polarização de base usando um circuito divisor de potencial resistivo ou polarização de diodo, essa distorção de crossover pode ser bastante reduzida ou até mesmo eliminada completamente levando os transistores ao ponto de serem apenas “LIGADOS”.

A aplicação de uma tensão de polarização produz outro tipo ou classe de circuito amplificador comumente chamado de Amplificador Classe AB. Então, a diferença entre um amplificador Classe B puro e um amplificador Classe AB aprimorado está no nível de polarização aplicado aos transistores de saída. Uma grande vantagem de usar diodos sobre resistores é que suas junções PN compensam as variações na temperatura dos transistores.

Portanto, podemos dizer corretamente que o amplificador Classe AB é efetivamente um amplificador Classe B com “Bias” adicionado e podemos resumir isso da seguinte forma:

• Amplificadores Classe A – Sem distorção cruzada, pois são polarizados no centro da linha de carga.
• Amplificadores Classe B – Grandes quantidades de distorção cruzada devido à polarização no ponto de corte.
• Amplificadores Classe AB – Alguma distorção cruzada se o nível de polarização estiver muito baixo.

Assim como as três classes de amplificadores acima, há várias classes de amplificadores de alta eficiência relacionadas a projetos de amplificadores de comutação que usam diferentes técnicas de comutação para reduzir a perda de potência e aumentar a eficiência. Alguns desses projetos de amplificador usam ressonadores RLC ou múltiplas tensões de fonte de alimentação para ajudar a reduzir a perda de energia e a distorção.