Distorsión cruzada en amplificadores

Hemos visto que una de las principales desventajas de la configuración del amplificador de clase A es su baja calificación de eficiencia de potencia completa debido a que está sesgada alrededor de su punto Q central.

Pero también sabemos que podemos mejorar el amplificador y casi duplicar su eficiencia simplemente cambiando la etapa de salida del amplificador a una configuración de tipo push-pull de Clase B. Sin embargo, esto es excelente desde el punto de vista de la eficiencia, pero la mayoría de los amplificadores de clase B modernos son sin transformador o de tipo complementario con dos transistores en su etapa de salida.

Esto da como resultado un problema fundamental principal con los amplificadores push-pull en que los dos transistores no se combinan completamente en la salida de ambas mitades de la forma de onda debido a su disposición de polarización de corte cero única. Como este problema ocurre cuando la señal cambia o «cruza» de un transistor a otro en el punto de voltaje cero, produce una cantidad de «distorsión» en la forma de onda de salida. Esto da como resultado una condición que comúnmente se llama distorsión cruzada.

La distorsión cruzada produce un “punto plano” o “banda muerta” de voltaje cero en la forma de onda de salida cuando cruza de una mitad de la forma de onda a la otra. La razón de esto es que el período de transición cuando los transistores están cambiando de uno a otro, no se detiene ni comienza exactamente en el punto de cruce cero, lo que provoca un pequeño retraso entre el primer transistor que se apaga y el segundo transistor que se gira «IN». Este retardo da como resultado que ambos transistores se apaguen en el mismo instante en el tiempo produciendo una forma de onda de salida como se muestra a continuación:

Onda de distorsión cruzada

Para que no haya distorsión de la forma de onda de salida, debemos asumir que cada transistor comienza a conducir cuando su voltaje de base a emisor aumenta justo por encima de cero, pero sabemos que esto no es cierto porque para los transistores bipolares de silicio, el voltaje de base-emisor debe alcanzar al menos 0.7v antes de que el transistor comience a conducir debido a la caída de voltaje del diodo directo de la unión pn base-emisor, produciendo así este punto plano. Este efecto de distorsión de cruce también reduce el valor total de pico a pico de la forma de onda de salida, lo que hace que la salida de potencia máxima se reduzca como se muestra a continuación:

Características de transferencia no lineal

Este efecto es menos pronunciado para señales de entrada grandes, ya que el voltaje de entrada suele ser bastante grande, pero para señales de entrada más pequeñas puede ser más severo y causar distorsión de audio al amplificador.

Pre-polarización de la salida

El problema de la distorsión cruzada se puede reducir considerablemente aplicando un ligero voltaje de polarización de base hacia adelante (la misma idea que se ve en el tutorial de transistores) a las bases de los dos transistores a través de la toma central del transformador de entrada, por lo tanto los transistores ya no están polarizados en el punto de corte cero, sino que están «predispuestos» a un nivel determinado por este nuevo voltaje de polarización.

Amplificador push-pull con predisposición

Este tipo de pre-polarización de la resistencia hace que un transistor se encienda exactamente al mismo tiempo que el otro transistor se apaga, ya que ambos transistores ahora están polarizados ligeramente por encima de su punto de corte original. Sin embargo, para lograr esto, el voltaje de polarización debe ser al menos el doble del voltaje normal entre la base y el emisor para encender los transistores. Esta predisposición también se puede implementar en amplificadores sin transformador que utilizan transistores complementarios simplemente reemplazando las dos resistencias divisoras de potencial con diodos de polarización como se muestra a continuación:

Pre-polarización con diodos

Este voltaje de polarización previa, ya sea para un transformador o para un circuito amplificador sin transformador, tiene el efecto de mover el punto Q del amplificador más allá del punto de corte original, lo que permite que cada transistor funcione dentro de su región activa durante un poco más de la mitad o 180° de cada medio ciclo. En otras palabras, 180° + Sesgo. La cantidad de voltaje de polarización de diodos presente en el terminal base del transistor se puede aumentar en múltiplos agregando diodos adicionales en serie. Esto luego produce un circuito amplificador comúnmente llamado amplificador de clase AB y su disposición de polarización se da a continuación:

Características de salida de clase AB

Resumen de distorsión cruzada

Luego, para resumir, la distorsión de cruce se produce en los amplificadores de clase B porque el amplificador está polarizado en su punto de corte. Esto da como resultado que AMBOS transistores se apaguen en el mismo instante en que la forma de onda cruza el eje cero. Al aplicar un voltaje de polarización de base pequeño, ya sea mediante el uso de un circuito divisor de potencial resistivo o polarización de diodos, esta distorsión de cruce puede reducirse en gran medida o incluso eliminarse por completo al llevar los transistores al punto de estar simplemente encendidos.

La aplicación de un voltaje de polarización produce otro tipo o clase de circuito amplificador comúnmente llamado amplificador de clase AB. Entonces, la diferencia entre un amplificador de clase B puro y un amplificador de clase AB mejorado está en el nivel de polarización aplicado a los transistores de salida. Una de las principales ventajas de usar diodos sobre resistencias es que sus uniones PN compensan las variaciones en la temperatura de los transistores.

Por lo tanto, podemos decir correctamente que el amplificador de clase AB es efectivamente un amplificador de Clase B con un «Bias» agregado y podemos resumir esto de la siguiente manera:

• Amplificadores de clase A – Sin distorsión de cruce ya que están sesgados en el centro de la línea de carga.
• Amplificadores de clase B: grandes cantidades de distorsión de cruce debido a la polarización en el punto de corte.
• Amplificadores de clase AB: cierta distorsión de cruce si el nivel de polarización se establece demasiado bajo.

Además de las tres clases de amplificadores anteriores, hay una serie de clases de amplificadores de alta eficiencia relacionadas con diseños de amplificadores de conmutación que utilizan diferentes técnicas de conmutación para reducir la pérdida de potencia y aumentar la eficiencia. Algunos de estos diseños de amplificadores utilizan resonadores RLC o múltiples voltajes de fuente de alimentación para ayudar a reducir la distorsión y la pérdida de potencia.