Amplificador 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 abastecer las necesidades de la carga conectada a él.

Hemos visto que la potencia de salida de un amplificador es el producto del voltaje y la corriente (P = V * I) aplicada a la carga, mientras que la potencia de entrada es el producto del voltaje de CC y la corriente extraída 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 baja en menos del 50%. Sin embargo, si modificamos el circuito del amplificador de clase A para que funcione en modo de clase B, (donde cada transistor conduce sólo el 50% del tiempo), la corriente del colector fluye en cada transistor durante sólo 180° del ciclo. La ventaja aquí es que la eficiencia de conversión de CC a CA es mucho mayor en aproximadamente un 75%, pero esta configuración de clase B da como resultado 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 sea una combinación de las dos clases anteriores dando como resultado un nuevo tipo de circuito amplificador llamado un amplificador de clase AB. Luego, la etapa de salida del amplificador de clase AB combina las ventajas del amplificador de clase A y el amplificador de clase B al tiempo que minimiza los problemas de baja eficiencia y distorsión asociados con ellos.

Como dijimos anteriormente, el amplificador de clase AB es una combinación de las clases A y B en el sentido de que para salidas de pequeña potencia 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. Luego, cada transistor conducirá entre 180° y 360° del tiempo, dependiendo de la cantidad de salida de corriente y pre-polarización. Por tanto, la etapa de salida del amplificador funciona como un amplificador de Clase AB.

Primero veamos una comparación de señales de salida para las diferentes clases de operación de amplificador.

Comparación de las diferentes clases de amplificadores

Entonces, las clases de amplificadores siempre se definen de la siguiente manera:

• Clase A: – El transistor de salida único de los amplificadores conduce durante los 360° completos del ciclo de la forma de onda de entrada.
• Clase B: – Los amplificadores de dos transistores de salida solo conducen la mitad, es decir, 180° de la forma de onda de entrada.
• Clase AB: – Los dos transistores de salida de los amplificadores conducen entre 180° y 360° de la forma de onda de entrada.

Funcionamiento del amplificador de clase A

Para el funcionamiento del amplificador de clase A, el punto Q de los transistores de conmutación se encuentra cerca del centro de la línea de carga característica de salida del transistor y dentro de la región lineal. Esto permite que el transistor conduzca durante los 360° completos, por lo que la señal de salida varía durante todo el ciclo 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, tiene poca eficiencia, porque para polarizar el transistor en el centro de la línea de carga, siempre debe haber una corriente de reposo de CC adecuada que fluya a través del transistor de conmutación, incluso si no hay señal de entrada para amplificar.

Funcionamiento del amplificador de clase B

Para el funcionamiento del amplificador 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 en la mitad de la forma de onda de entrada, mientras que el otro transistor amplifica la otra mitad. Estas dos mitades amplificadas luego se combinan juntas en la carga para producir un ciclo de forma de onda completo. Este par complementario NPN-PNP también se conoce como 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 se desperdicia energía cuando los transistores están en la condición de reposo, lo que aumenta la eficiencia general de un amplificador de Clase B con respecto a la Clase A .

Sin embargo, como el amplificador de Clase B está sesgado de manera que la corriente de salida fluye a través de cada transistor de sólo la mitad del ciclo de entrada, la forma de onda de salida, por tanto, no es una réplica exacta de la forma de onda de entrada ya que se distorsiona la señal de salida. Esta distorsión ocurre en cada cruce por cero de la señal de entrada produciendo lo que generalmente se llama distorsión de cruce cuando los dos transistores se encienden entre sí.

Este problema de distorsión puede superarse fácilmente ubicando el punto de polarización del transistor ligeramente por encima del límite. 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 propósito básico de un amplificador de Clase AB es preservar la configuración básica de Clase B y, al mismo tiempo, mejorar su linealidad al polarizar cada transistor de conmutación ligeramente por encima del umbral.

Polarización de un amplificador de clase AB

Entonces, ¿cómo hacemos esto? Se puede fabricar un amplificador de clase AB a partir de una etapa estándar de contrafase de clase B polarizando 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 conduzcan simultáneamente durante una parte muy pequeña de la forma de onda de entrada en más del 50 por ciento del ciclo de entrada, pero menos del 100 por ciento.

La banda muerta de 0,6 a 0,7 V (una caída de voltaje de diodo directo) que produce el efecto de distorsión de cruce en los amplificadores de clase B se reduce en gran medida mediante el uso de polarización adecuada. La polarización previa de los dispositivos de transistores se puede lograr de varias formas diferentes usando una polarización de voltaje preestablecida, una red divisoria de voltaje o usando una disposición de diodos conectados en serie.

Polarización de voltaje del amplificador de clase AB

Aquí la polarización de los transistores se logra mediante el uso de una tensión de polarización fija adecuada aplicada a las bases de TR1 y TR2. Luego, hay una región donde ambos transistores están conduciendo y la pequeña corriente de colector en reposo que fluye a través de TR1 se combina con la pequeña corriente de colector en reposo que fluye a través de TR2 y hacia la carga.

Cuando la señal de entrada se hace positiva, el voltaje en la base de TR1 aumenta la producción de una salida positiva de una cantidad similar que aumenta la corriente de colector fluye a través de TR1 generación de corriente 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 provocará una disminución igual y opuesta en la conducción de TR2 durante el semiciclo positivo.

Como resultado, el transistor TR2 finalmente se apaga dejando que el transistor de polarización directa, TR1 suministre toda la ganancia de corriente a la carga. Asimismo, para la mitad negativa de la tensión de entrada ocurre lo contrario. Es decir, TR2 conduce hundiendo la corriente de carga mientras que TR1 se apaga cuando la señal de entrada se vuelve más negativa.

Entonces podemos ver que cuando el voltaje de entrada, VIN es cero, ambos transistores están conduciendo ligeramente 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 hundimiento o fuente de carga actual. Como la conmutación entre los dos transistores ocurre casi instantáneamente y es suave, la distorsión de cruce que afecta a la configuración de Clase B se reduce en gran medida. Sin embargo, una polarización incorrecta puede causar picos agudos de distorsión cruzada 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 de clase AB). Sin embargo, no es muy práctico tener baterías adicionales dentro del diseño de la etapa de salida de los amplificadores. Una forma muy simple y fácil de producir dos voltajes de polarización fijos para establecer un punto Q estable cerca del corte de los transistores, es usar una red de divisor de voltaje resistivo.

Polarización del resistor del amplificador de clase AB

Cuando una corriente pasa a través de un resistor, se desarrolla una caída de voltaje a través del resistor 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 en 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 es positivo, TR1 conduce y cuando VIN es negativo, TR2 conduce.

Las cuatro resistencias R1 a R4 están conectadas a través del voltaje de suministro Vcc para proporcionar la polarización resistiva requerida. Las dos resistencias, R1 y R4 se eligen para establecer el punto Q ligeramente por encima del límite con el valor correcto de VBE establecido en aproximadamente 0,6 V, de modo que las caídas de voltaje a través de la red resistiva llevan la base de TR1 a aproximadamente 0,6 V, y el de TR2 a aproximadamente –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 cada transistor por completo. Al polarizar los transistores justo por encima del corte, el valor de la corriente del colector en reposo, ICQ, debería ser cero. Además, dado que ambos transistores de conmutación están efectivamente conectados en serie a través del suministro, la VCEQ caída de voltaje en cada transistor será aproximadamente la mitad de Vcc.

Si bien la polarización resistiva de un amplificador de clase AB funciona en teoría, la corriente de un 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 correcta de resistencias dentro de la red del divisor de voltaje puede resultar problemático. Una forma de superar esto es usar una resistencia ajustable para establecer el punto Q correcto como se muestra:

Polarización del amplificador ajustable

Se puede una resistencia o potenciómetro ajustable para polarizar ambos transistores al borde de la conducción. Luego, los transistores TR1 y TR2 están polarizados a través de RB1-VR1-RB2 para que sus salidas estén balanceadas y la corriente de reposo cero fluya 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 ambas señales aplicadas a cada base tienen la misma frecuencia y amplitud que se originaron en 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 muy similares o una relación de resistencia exacta dentro de la red del divisor de voltaje, ya que el potenciómetro se puede ajustar 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 de Clase AB, ya sea fija 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 la polarización de diodos.

Polarización de diodos de amplificador de clase AB

Si bien 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 del emisor base (VBE) es usar un par de diodos de polarización directa normales dentro del disposición de polarización de los 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 ambos lados de la entrada. Sin voltaje de señal de entrada aplicado, el punto entre los dos diodos es cero voltios. A medida que la corriente fluye a través de la cadena, hay una caída de voltaje de polarización directa de aproximadamente 0,7 V 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 a través de 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, polarizándolas por encima del límite.

A medida que aumenta la temperatura del circuito, también lo hace la de los diodos, ya que están ubicados junto a los transistores. El voltaje a través de la unión PN del diodo disminuye, por lo tanto, desviando parte de la corriente de base de los transistores, lo que estabiliza la corriente del colector de los transistores.

Si las características eléctricas de los diodos coinciden estrechamente con las de la unión base-emisor de los transistores, la corriente que fluye en los diodos y la corriente en los transistores será la misma creando lo que se llama un espejo de corriente. El efecto de este espejo de corriente compensa las variaciones de temperatura produciendo la operación Clase AB requerida, eliminando así cualquier distorsión de cruce.

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

La polarización de una etapa de salida de amplificador de Clase AB generalmente se ajusta para adaptarse a una aplicación de amplificador en 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 minimiza la distorsión de cruce produciendo una verdadera operación de amplificador de Clase AB.

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

Etapa del controlador de amplificador de clase AB

El transistor de TR3 actúa como una fuente de corriente que establece la corriente de polarización de CC requerida que fluye a través de los diodos. Esto establece el voltaje de salida en reposo como Vcc / 2. A medida que la señal de entrada impulsa la base de TR3, actúa como una etapa amplificadora que impulsa las bases de TR1 y TR2 con la mitad positiva del ciclo de entrada impulsando TR1 mientras TR2 está apagado y la mitad negativa del ciclo de entrada impulsando TR2 mientras TR1 está apagado, igual que antes.

Al igual que con la mayoría de los circuitos electrónicos, hay muchas formas diferentes de diseñar una etapa de salida de un amplificador 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 corriente como voltaje) a la carga conectada con un grado razonable de eficiencia. Esto se puede lograr operando el (los) transistor (s) en uno de los dos modos de operación básicos, Clase A o Clase B.

Una forma de operar un amplificador con un nivel razonable de eficiencia es usar una etapa de salida simétrica de Clase B basada en complementaria con transistores NPN y PNP. Con un nivel adecuado de polarización directa, es posible reducir cualquier distorsión de cruce como resultado de que los dos transistores estén cortados durante un breve período de cada ciclo y, como hemos visto anteriormente, dicho circuito se conoce como amplificador Clase AB.

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

Amplificador de clase AB

Resumen del amplificador de clase AB

Hemos visto aquí que un amplificador de clase AB está polarizado de modo que la corriente de salida fluye 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.

Por lo tanto, al permitir que ambos transistores de conmutación conduzcan corriente al mismo tiempo durante un período muy corto, la forma de onda de salida durante el período de cruce cero se puede suavizar sustancialmente reduciendo la distorsión de cruce asociada con el diseño del amplificador de clase B. Entonces el ángulo de conducción es mayor de 180° pero mucho menor de 360°.

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

Dicho esto, los amplificadores de clase AB son uno de los diseños de amplificadores de potencia de audio más preferidos debido a su combinación de una eficiencia razonablemente buena y una salida de alta calidad, ya que tienen una baja distorsión de cruce y una alta linealidad similar al diseño de amplificador de clase A.