Classes de amplificadores

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Nem todos os amplificadores são iguais e há uma distinção clara entre a maneira como seus estágios de saída são configurados e operam. As principais características operacionais de um amplificador ideal são linearidade, ganho de sinal, eficiência e potência de saída, mas em amplificadores do mundo real há sempre uma troca entre essas características diferentes.

Geralmente, grandes amplificadores de sinal ou potência são usados ​​nos estágios de saída de sistemas de amplificador de áudio para conduzir uma carga de alto-falante. Um alto-falante típico tem uma impedância entre 4Ω e 8Ω, portanto, um amplificador de potência deve ser capaz de fornecer as altas correntes de pico necessárias para acionar o alto-falante de baixa impedância.

Um método usado para distinguir as características elétricas de diferentes tipos de amplificadores é por “classe”, e como tais amplificadores são classificados de acordo com sua configuração de circuito e método de operação. Então, Classes de amplificadores é o termo usado para diferenciar entre os diferentes tipos de amplificadores.

As classes de amplificador representam a quantidade do sinal de saída que varia dentro do circuito do amplificador ao longo de um ciclo de operação quando excitado por um sinal de entrada senoidal. A classificação dos amplificadores varia de operação inteiramente linear (para uso em amplificação de sinal de alta fidelidade) com eficiência muito baixa, a operação totalmente não linear (onde uma reprodução fiel do sinal não é tão importante) operação, mas com uma eficiência muito maior, enquanto outras são um compromisso entre os dois.

As classes de amplificadores são agrupadas principalmente em dois grupos básicos. Os primeiros são os amplificadores de ângulo de condução controlados classicamente formando as classes de amplificadores mais comuns de A, B, AB e C, que são definidas pelo comprimento de seu estado de condução sobre alguma parte da forma de onda de saída, de modo que a operação do transistor de estágio de saída esteja em algum lugar entre “totalmente LIGADO” e “totalmente DESLIGADO”.

O segundo conjunto de amplificadores são as chamadas classes de amplificadores de “comutação” de D, E, F, G, S, T etc, que usam circuitos digitais e modulação por largura de pulso (PWM) para alternar constantemente o sinal entre “totalmente ON ”e“ totalmente OFF ”direcionando a saída fortemente para as regiões de saturação e corte dos transistores.

As classes de amplificadores mais comumente construídas são aquelas usadas como amplificadores de áudio, principalmente as classes A, B, AB e C e, para manter as coisas simples, são esses tipos de classes de amplificadores que examinaremos aqui com mais detalhes.

 

Amplificador classe A

Amplificadores Classe A são o tipo mais comum de topologia de amplificador, pois usam apenas um transistor de comutação de saída (Bipolar, FET, IGBT, etc.) em seu projeto de amplificador. Este único transistor de saída é polarizado em torno do ponto Q no meio de sua linha de carga e, portanto, nunca é conduzido para suas regiões de corte ou saturação, permitindo que conduza corrente ao longo de 360 graus completos do ciclo de entrada. Então, o transistor de saída de uma topologia classe A nunca é “OFF”, o que é uma de suas principais desvantagens.

Os amplificadores de classe “A” são considerados a melhor classe de projeto de amplificador devido principalmente à sua excelente linearidade, alto ganho e baixos níveis de distorção de sinal quando projetados corretamente. Embora raramente usados em aplicações de amplificadores de alta potência devido a considerações de fonte de alimentação térmica, os amplificadores de classe A são provavelmente os de melhor som de todas as classes de amplificadores mencionadas aqui e, como tal, são usados em projetos de amplificadores de áudio de alta fidelidade.

Amplificador classe A

Para alcançar alta linearidade e ganho, o estágio de saída de um amplificador classe A é polarizado “ON” (conduzindo) o tempo todo. Então, para um amplificador ser classificado como “Classe A”, a corrente ociosa do sinal zero no estágio de saída deve ser igual ou maior do que a corrente de carga máxima (geralmente um alto-falante) necessária para produzir o maior sinal de saída.

Como um amplificador classe A opera na parte linear de suas curvas características, o dispositivo de saída única conduz 360 graus completos da forma de onda de saída. Então, o amplificador classe A é equivalente a uma fonte de corrente.

Uma vez que um amplificador classe A opera na região linear, a tensão de polarização CC da base (ou porta) dos transistores deve ser escolhida adequadamente para garantir a operação correta e baixa distorção. No entanto, como o dispositivo de saída está “LIGADO” o tempo todo, ele está constantemente carregando corrente, o que representa uma perda contínua de potência no amplificador.

Devido a esta perda contínua de potência, os amplificadores classe A criam enormes quantidades de calor aumentando sua eficiência muito baixa em torno de 30%, tornando-os impraticáveis ​​para amplificações de alta potência. Também devido à alta corrente ociosa do amplificador, a fonte de alimentação deve ser dimensionada de acordo e bem filtrada para evitar qualquer ruído e ruído do amplificador. Portanto, devido à baixa eficiência e aos problemas de superaquecimento dos amplificadores Classe A, classes de amplificadores mais eficientes foram desenvolvidas.

 

Amplificador Classe B

Os amplificadores de classe B foram inventados como uma solução para os problemas de eficiência e aquecimento associados ao amplificador de classe A anterior. O amplificador básico classe B usa dois transistores complementares bipolares ou FET para cada metade da forma de onda com seu estágio de saída configurado em um arranjo do tipo “push-pull”, de modo que cada dispositivo de transistor amplifica apenas metade da forma de onda de saída.

No amplificador de classe B, não há corrente de polarização de base CC, pois sua corrente quiescente é zero, de modo que a potência CC é pequena e, portanto, sua eficiência é muito maior do que a do amplificador de classe A. Porém, o preço pago pela melhoria da eficiência está na linearidade do dispositivo de

Amplificador Classe B

Quando o sinal de entrada fica positivo, o transistor polarizado positivo conduz enquanto o transistor negativo é colocado na posição “OFF”. Da mesma forma, quando o sinal de entrada fica negativo, o transistor positivo muda para “OFF” enquanto o transistor polarizado negativo fica “ON” e conduz a porção negativa do sinal. Assim, o transistor conduz apenas metade do tempo, seja na metade do ciclo positivo ou negativo do sinal de entrada.

Então, podemos ver que cada dispositivo de transistor do amplificador classe B conduz apenas pela metade ou 180 graus da forma de onda de saída em estrita alternância de tempo, mas como o estágio de saída tem dispositivos para ambas as metades da forma de onda do sinal, as duas metades são combinadas. para produzir a forma de onda de saída totalmente linear.

Este design push-pull do amplificador é obviamente mais eficiente do que a Classe A, em cerca de 50%, mas o problema com o design do amplificador classe B é que ele pode criar distorção no ponto de cruzamento zero da forma de onda devido à banda morta dos transistores de tensões de base de entrada de -0,7 V a +0,7.

Lembramos do tutorial do Transistor que é necessária uma voltagem base-emissor de cerca de 0,7 volts para fazer um transistor bipolar começar a conduzir. Então, em um amplificador classe B, o transistor de saída não é “polarizado” para um estado de operação “LIGADO” até que essa tensão seja excedida.

Isso significa que a parte da forma de onda que cai dentro dessa janela de 0,7 volt não será reproduzida com precisão, tornando o amplificador de classe B inadequado para aplicações de amplificador de áudio de precisão.

Para superar essa distorção de cruzamento zero (também conhecida como Distorção de cruzamento), amplificadores de classe AB foram desenvolvidos.

 

Amplificador Classe AB

Como o nome sugere, o Amplificador Classe AB é uma combinação dos amplificadores do tipo “Classe A” e “Classe B” que vimos acima. A classificação AB de amplificador é atualmente um dos tipos mais comumente usados ​​de design de amplificador de potência de áudio. O amplificador de classe AB é uma variação de um amplificador de classe B conforme descrito acima, exceto que ambos os dispositivos podem conduzir ao mesmo tempo em torno do ponto de crossover das formas de onda, eliminando os problemas de distorção de crossover do amplificador de classe B anterior.

Os dois transistores têm uma tensão de polarização muito pequena, normalmente de 5 a 10% da corrente quiescente para polarizar os transistores logo acima de seu ponto de corte. Então, o dispositivo de condução, seja bipolar ou FET, ficará “LIGADO” por mais de meio ciclo, mas muito menos de um ciclo completo do sinal de entrada. Portanto, em um projeto de amplificador de classe AB, cada um dos transistores push-pull está conduzindo por um pouco mais do que meio ciclo de condução na classe B, mas muito menos do que o ciclo completo de condução da classe A.

Em outras palavras, o ângulo de condução de um amplificador de classe AB está em algum lugar entre 180o e 360o, dependendo do ponto de polarização escolhido, conforme mostrado.

Amplificador Classe AB

A vantagem dessa pequena tensão de polarização, fornecida por diodos ou resistores em série, é que a distorção cruzada criada pelas características do amplificador classe B é superada, sem as ineficiências do projeto do amplificador classe A. Portanto, o amplificador classe AB é um bom compromisso entre a classe A e a classe B em termos de eficiência e linearidade, com eficiências de conversão atingindo cerca de 50% a 60%.

 

Amplificador Classe C

O design do amplificador de classe C tem a maior eficiência, mas a linearidade mais pobre das classes de amplificadores mencionados aqui. As classes anteriores, A, B e AB são consideradas amplificadores lineares, pois a amplitude e fase dos sinais de saída estão linearmente relacionadas à amplitude e fase dos sinais de entrada.

No entanto, o amplificador de classe C é fortemente polarizado de forma que a corrente de saída seja zero por mais da metade de um ciclo de sinal senoidal de entrada com o transistor ocioso em seu ponto de corte. Em outras palavras, o ângulo de condução do transistor é significativamente menor do que 180 graus e geralmente está em torno da área de 90 graus.

Embora essa forma de polarização do transistor forneça uma eficiência muito melhorada de cerca de 80% ao amplificador, ela introduz uma distorção muito forte do sinal de saída. Portanto, os amplificadores de classe C não são adequados para uso como amplificadores de áudio.

Amplificador Classe C

Devido à sua forte distorção de áudio, os amplificadores de classe C são comumente usados em osciladores de onda senoidal de alta frequência e certos tipos de amplificadores de frequência de rádio, onde os pulsos de corrente produzidos na saída do amplificador podem ser convertidos em ondas senoidais completas de uma determinada frequência pelo uso de circuitos ressonantes LC em seu circuito coletor.

Resumo das classes de amplificadores

Então, vimos que o ponto de operação CC quiescente (ponto Q) de um amplificador determina a classificação do amplificador. Ao definir a posição do ponto Q na metade da linha de carga da curva de características do amplificador, o amplificador funcionará como um amplificador de classe A. Ao mover o ponto Q para baixo na linha de carga, o amplificador se transforma em um amplificador de classe AB, B ou C.

Então, a classe de operação do amplificador em relação ao seu ponto de operação DC pode ser dada como:

Classes de amplificadores e eficiência

Além dos amplificadores de áudio, há várias classes de amplificadores de alta eficiência relacionadas aos designs de amplificadores de comutação que usam diferentes técnicas de comutação para reduzir a perda de potência e aumentar a eficiência. Alguns projetos de classe de amplificador listados abaixo usam ressonadores RLC ou múltiplas tensões de fonte de alimentação para reduzir a perda de energia, ou são amplificadores do tipo DSP (processamento digital de sinal) que usam técnicas de comutação de modulação por largura de pulso (PWM).

 

Outras classes de amplificadores comuns

  • Amplificador Classe D – Um amplificador de áudio Classe D é basicamente um amplificador de comutação não linear ou amplificador PWM. Os amplificadores Classe-D teoricamente podem atingir 100% de eficiência, já que não há período durante um ciclo em que as formas de onda de tensão e corrente se sobreponham, pois a corrente é puxada apenas através do transistor que está ligado.
  • Amplificador Classe F – os amplificadores Classe F aumentam a eficiência e a saída usando ressonadores harmônicos na rede de saída para moldar a forma de onda de saída em uma onda quadrada. Os amplificadores Classe-F são capazes de altas eficiências de mais de 90% se a sintonia harmônica infinita for usada.
  • Amplificador Classe G – A Classe G oferece aprimoramentos ao projeto básico do amplificador classe AB. A Classe G usa vários trilhos de alimentação de várias tensões e alterna automaticamente entre esses trilhos de alimentação conforme o sinal de entrada muda. Essa comutação constante reduz o consumo médio de energia e, portanto, a perda de energia causada pelo calor desperdiçado.
  • Amplificador Classe I – O amplificador classe I tem dois conjuntos de dispositivos de comutação de saída complementares dispostos em uma configuração push-pull paralela com ambos os conjuntos de dispositivos de comutação amostrando a mesma forma de onda de entrada. Um dispositivo alterna a metade positiva da forma de onda, enquanto o outro alterna a metade negativa semelhante a um amplificador classe B. Sem nenhum sinal de entrada aplicado, ou quando um sinal atinge o ponto de cruzamento zero, os dispositivos de chaveamento são LIGADOS e DESLIGADOS simultaneamente com um ciclo de trabalho PWM de 50% cancelando quaisquer sinais de alta frequência.
  • Para produzir a metade positiva do sinal de saída, a saída do dispositivo de comutação positiva é aumentada no ciclo de trabalho, enquanto o dispositivo de comutação negativo é diminuído da mesma forma e vice-versa. As duas correntes de sinal de comutação são intercaladas na saída, dando ao amplificador classe I o nome de: “amplificador PWM intercalado” operando em frequências de comutação superiores a 250 kHz.
  • Amplificador de classe S – um amplificador de potência de classe S é um amplificador de modo de comutação não linear semelhante em operação ao amplificador de classe D. O amplificador classe S converte sinais de entrada analógicos em pulsos de onda quadrada digital por um modulador delta-sigma e os amplifica para aumentar a potência de saída antes de finalmente ser demodulado por um filtro passa-banda. Como o sinal digital deste amplificador de comutação está sempre totalmente “LIGADO” ou “DESLIGADO” (teoricamente, dissipação de energia zero), eficiências que chegam a 100% são possíveis.
  • Amplificador de classe T – O amplificador de classe T é outro tipo de design de amplificador de comutação digital. Amplificadores Classe T estão começando a se tornar mais populares atualmente como um projeto de amplificador de áudio devido à existência de chips de processamento de sinal digital (DSP) e amplificadores de som surround multicanal, pois converte sinais analógicos em sinais modulados por largura de pulso digital (PWM) para amplificação aumentando a eficiência dos amplificadores. Os projetos de amplificadores de classe T combinam os níveis de sinal de baixa distorção do amplificador de classe AB e a eficiência de energia de um amplificador de classe D.

 

Classe de amplificador por ângulo de condução

Classe de amplificador Descrição Ângulo de Condução
Classe A Ciclo completo 360o de condução θ = 2π
Classe B Meio ciclo 180o de condução θ = π
Classe AB Um pouco mais de 180o de condução π < θ < 2π
Classe C Um pouco menos de 180o de condução θ < π
Classe D a T Comutação não linear ON-OFF θ = 0
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