Clasele Amplificatoarelor Audio

Clasele Amplificatoarelor

Amplificatoarele de putere se deosebesc prin modul în care funcţionează etajele de ieşire.
Pentru un amplificator ideal principalele caracteristici de funcţionare sunt liniaritatea, câştigul de semnal, eficienţa (randamentul) şi puterea. Fizic însă, la amplificatoare există un compromis între aceste caracteristici.
Sarcina amplificatorului este un difuzor (sau un ansamblu de difuzoare) cu impedanţa cuprinsă de obicei între 40 şi 80, astfel că etajul final al unui amplificator de putere trebuie să fie capabil să furnizeze curenţi mari pentru a excita bobinele difuzoarelor cu impedanţă redusă.
O metodă folosită pentru a distinge caracteristicile electrice ale diferitelor tipuri de amplificatoare este "clasa", astfel că amplificatoarele sunt clasificate în funcţie de configuraţia circuitului şi de modul lor de funcţionare.
Clasele Amplificatoarelor reprezintă suma semnalului de ieşire care variază în circuitul amplificatorului într-un ciclu de funcţionare în cazul excitării acestuia cu un semnal de intrare sinusoidal. Clasificarea amplificatoarelor variază de la procesarea integral liniară, utilizat în amplificarea semnalului de înaltă fidelitate care au însă eficienţă foarte scăzută, la procesarea integral neliniară, în cazul în care nu este atât de importantă o reproducere fidelă a semnalului dar care au un randament mare, urmând şi alte tipuri/clase ce constituie un compromis între cele două.
Clasele de amplificare sunt concentrate în principal în două grupe de bază. Cele din prima grupă sunt controlate clasic pe panta de amplificare, cele mai comune clase de amplificare fiind clasele A, B, AB şi C, care sunt definite de starea de conducţie a finalilor pe o zonă a caracteristicii şi implicit a formei de undă de ieşire.
A doua categorie de amplificatoare sunt mai noi, aşa-numitele "de trecere", clasele de amplificare de D, E, F, G, S, T etc, care folosesc circuite digitale şi modularea în durată a impulsurilor (PWM), prin prelucrarea semnalului "deschis total" sau "blocat total".
Clasele de amplificare cel mai frecvent utilizate sunt cele din gama amplificatoarelor de audiofrecvenţă, în principal clasele A, B, AB şi C şi pentru a simplifica, vom analiza numai aceste tipuri de clase de amplificare.

Amplificatorul Clasa A

Amplificatoarele din Clasa A , sunt cele mai utilizate amplificatoare datorită simplităţii schemei. Clasa A, înseamnă şi literal "cea mai bună clasă" de amplificatoare datorită distorsiunilor mici şi sunt cotate cu cel mai bun sunet din toate clasele de amplificatoare analizate, cu cea mai bună liniaritate în raport cu celelalte clase, funcţionând în porţiunea liniară a caracteristicii. Acestea folosesc un tranzistor (bipolar, FET, etc) conectat într-o configuraţie emitor comun pentru ambele semialternanţe ale semnalului, prin tranzistor trecând permanent un curent chiar dacă acesta nu primeşte nici un semnal pe bază. Acest lucru înseamnă că etajul final cu tranzistoare bipolare, MOSFET sau IGBT nu trece în zona de limitare sau de saturaţie, acestea fiind polarizate astfel încât punctul de funcţionare Q să fie situat pe mijlocul mijlocul dreptei de sarcină. Faptul că tranzistorul nu se blochează niciodată constituie uneori un dezavantaj.

Pentru a realiza liniaritatea şi câştigul, etajul de ieşire al unui amplificator din clasa A este polarizat, adică este tot timpul în conducţie. Pentru ca un amplificator pentru să fie clasificat în "clasă A", curentul de mers în gol în etajul de ieşire, la semnal zero, trebuie să fie egal sau mai mare decât curentul de sarcină maximă (difuzor), necesar pentru reproducerea semnalului la ieşire. Amplificatorul în clasa A funcţionează pe porţiunea liniară caracteristicii, semnalul de ieşire fiind prelucrat în toată evoluţia lui de 360° cu un singur tranzistor . Putem echivala amplificatorul în clasa A cu o sursă de curent.

Întrucât amplificatorul clasa A funcţionează în regiunea liniară, tensiunea de polarizare a bazei tranzistorului (sau porţii) ar trebui aleasă în mod corespunzător pentru a asigura funcţionarea corectă, cu distorsiuni minime. Întrucât elementul activ este "deschis" permanent, acesta produce o pierdere continuă a puterii amplificatorului, fenomen ce se manifestă prin disipare de căldură, randamentul acestor amplificatoare fiind scăzut, circa 30%, ceea ce le face imposibil de utilizat ca amplificatoare de mare putere. Datorită curentului mare de mers în gol al amplificatorului, sursa de alimentare trebuie să fie dimensionată corespunzător, tensiunea să fie bine filtrată pentru a evita brumul şi amplificarea “paraziţilor” de pe linia de alimentare . Datorită eficienţei scăzute şi disipaţiei de temperatură a amplificatoarelor din clasa A, s-au dezvoltat clase noi de amplificare cu randament ridicat.

Amplificatorul Clasa B

Amplificatoarele clasa B au apărut ca o soluţie pentru creşterea randamentului şi problemelor cauzate de încălzirea tranzistorilor la amplificatorul clasa A. Un amplificator de clasa B utilizează două tranzistoare complementare, bipolare sau FET, pentru fiecare semiperioadă, configurate într-un aranjament de tip ''push-pull'', astfel încât fiecare tranzistor amplifică doar jumătate din semnalul de ieşire.

În amplificatorul de clasa B, nu există nici un curent de polarizare pe bază astfel încât curentul de repaus este zero, puterea disipată este mică şi, prin urmare, eficienţa sa este mult mai mare decât cea din clasa A. Compromisul pentru îmbunătăţirea randamentului constă în liniaritatea a tranzistorului în zona de comutare.

Când semnalul de intrare trece în alternanţa pozitivă, tranzistorul NPN conduce iar tranzistorul PNP este blocat. Când semnalul de intrare trece este în alternanţa negativă, tranzistorul NPN este blocat iar tranzistorul PNP conduce pe porţiunea negativă a semnalului. Astfel tranzistoarele conduc doar jumătate de perioadă, fie pe jumătatea de ciclu de pozitivă sau negativă a semnalului de intrare. Aşadar fiecare tranzistor din amplificatorul clasa B conduce doar o singură semialternanţă sau o perioadă strictă de 180° din semnalul de ieşire, astfel ca cele două semialternanţe se completează împreună pentru a produce un semnal liniar la ieşirea amplificatorului.

Amplificatorul de acest tip, cu conexiune push-pull, este mult mai eficient decât cel din clasa A, cu randament de 50%. Problema amplificatorului în clasa B este că apar distorsiuni la punctul de trecere prin zero al semnalului ca urmare a unei zone moarte, unde tensiunile de intrare variază de la -0,7V la 0,7 pe bazele tranzistorilor unde ambii tranzistori sunt blocaţi, ei având nevoie de o tensiune minimă de 0,7V pentru a intra în conducţie. Aceasta înseamnă că o parte a semnalului care se încadrează în această zonă de ±0,7 volţi nu va fi reprodusă cu precizie şi nu recomandă amplificatorul clasa B în aplicaţii de precizie. Pentru a corecta această deformare a semnalului la trecerea prin zero, cunoscută şi sub numele de Crossover Distortion, a fost dezvoltat amplificatorul clasa AB.

Amplificatorul Clasa AB

După cum sugerează şi numele, amplificatorul clasă AB este o combinaţie între amplificatoarele de tip "clasa A" şi "clasa B" analizate mai sus.

Amplificatoarele clasa AB sunt unele dintre cele mai utilizate tipuri de amplificatoare audio de putere. Amplificatorul clasa AB este o variantă a unui amplificator de clasa B, aşa cum a fost descris mai sus, cu excepţia faptului că ambele tranzistoare pot funcţiona, în acelaşi timp, în jurul punctului de funcţionare sub formă de undă continuă, cu eliminarea problemelor de distorsiune la trecerea prin zero, descris mai sus la amplificatorul clasa B.

Cele două tranzistoare au o foarte mică tensiune de polarizare, în mod tipic de 5-10% din curentul de repaus pentru a deschide tranzistorii chiar deasupra punctului de trecere prin zero a semnalului, în glumă am putea spune că trece 5% în clasa A. Prin urmare, la amplificatorul clasa AB fiecare dintre tranzistorii push-pull conduc mai mult de jumătate din semialternanţa din clasa B, dar mult mai puţin decât un ciclu complet de conducţie ca cel din clasa A. Cu alte cuvinte, unghiul de conducţie al unui amplificator clasa AB este undeva între 180° şi 360°, funcţie de punctul de funcţionare ales, aşa cum se vede în graficul de mai jos:

Avantajul acestei mici tensiuni de polarizare, obţinută cu diode serie sau rezistenţe, constă în faptul că distorsiunea de crossover creată de caracteristicile amplificatorului în clasa B este depăşită şi elimină deficienţele amplificatorului din clasa A. Deci, amplificatorul în clasa AB este un bun compromis între clasa A şi clasa B, privind eficienţa şi liniaritatea, cu randamente de conversie ajungând la aproximativ 50% la 60%.

Amplificatorul Clasa C

Amplificatorul în clasa C are cel mai mare randament, însă are şi cea mai mare neliniaritate din toate clasele de amplificatoare menţionate aici. Clasele anterioare, A, B şi AB sunt considerate amplificatoare liniare, semnalele de ieşire având amplitudine şi fază în relaţie liniară cu amplitudinea şi faza semnalelor de la intrare.

La amplificatorul clasa C, curentul de ieşire este zero pentru mai mult de o jumătate dintr-un ciclu al semnalului sinusoidal de la intrare, tranzistorul lucrând în jurul punctului său de blocare. Cu alte cuvinte, unghiul de conducţie pentru tranzistorul fiind mult mai mic de 180°, fiind situat în jurul zonei 90°, dă un randament peste 80% însă distorsionează puternic semnalul la ieşire ceea ce nu îl recomandă ca amplificator audio.

Amplificatoarele în clasa C sunt utilizate în oscilatoare sinusoidale de înaltă frecvenţă şi în anumite tipuri de amplificatoare de radiofrecvenţă unde impulsurile de curent produse la ieşirea amplificatoarelor formează semnale sinusoidale de o anumită frecvenţă prin folosirea circuitelor rezonante LC în circuitul colector.

Concluzii la Clasele Amplificatoarelor

Am văzut că punctul static de funcţionare în curent continuu (punctul Q) al unui amplificator, determină clasificarea

amplificatorului. Prin stabilirea poziţiei punctului Q la jumătatea distanţei pe dreapta de sarcină a curbei caracteristice a amplificatoarelor, amplificatorul va funcţiona în clasa A.

Prin deplasarea punctului Q în zona inferioară a dreaptei de sarcină, amplificatorul trece în clasa AB, B sau C.

Clasa de funcţionare a amplificatorului în raport cu poziţionarea punctului static de funcţionare în curent continuu este exemplificată mai jos:

Clasele si eficienţa amplificatoarelor

Şi la amplificatoarele audio există o serie clase cu randament ridicat care folosesc diferite tehnici de comutare pentru a reduce pierderile de putere şi de a creşte randamentul. Unele clase de amplificatoare utilizează rezonatoare RLC sau mai multe tensiuni de alimentare pentru a reduce pierderile sau amplificatoare cu circuite DSP (Digital Signal Processing) care utilizează tehnici de comutare cu modulaţie în durată a impulsurilor (PWM).

Alte clase de amplificatoare

- Amplificatorul clasa D

 - amplificatorul audio de clasă D este de fapt un amplificator în comutaţie sau amplificator PWM neliniar. Cu amplificatoarele clasa D, teoretic, se poate ajunge la o eficienţă de 100%, deoarece nu există nici o perioadă în timpul unui ciclu în care tensiunea să cadă pe elementul de comandă, tranzistor, acesta având exclusiv rol de comutator de curent.

- Amplificatorul clasa F

 - la amplificatoarele clasa F creşte atât randamentul cât şi puterea la ieşire prin utilizarea unor rezonatoare armonice în reţeaua de ieşire pentru a forma semnalul într-un semnal dreptunghiular. Amplificatoarele clasa F au un randament ridicat, peste 90%, în cazul în care este folosit acordul armonic infinit.

- Amplificatorul clasa G

 - oferă îmbunătăţiri la schema de bază a amplificatorului clasa AB. Clasa G foloseşte mai multe linii de alimentare la diferite tensiuni şi comută automat între aceste linii în funcţie de evoluţia semnalului de intrare. Această comutare reduce constant consumul inutil de energie şi pierderea de putere cauzată de căldura disipată.

- Amplificatorul clasa I 

- amplificatorul are două seturi de tranzistoare complementare de comutare la ieşire dispuse într-o configuraţie push-pull paralel, setul de comutare procesând acelaşi semnal de intrare. Când un tranzistor comută pe semialternanţa pozitivă a formei de undă, celălalt comută pe semialternanţa negativă, ca la un amplificator din clasa B. Fără nici un semnal la intrare, atunci când semnalul ajunge la punctul de trecere prin zero, tranzistoarele de comutare sunt pornite şi oprite simultan în contratimp cu un semnal PWM cu ciclu de 50% pentru a anula semnalul.

Pentru a produce semialternanţa pozitivă al semnalului la ieşire, tranzistorul de comutare a tensiunii pozitive este deschis mai mult timp prin creşterea duratei semnalului PWM în timp ce tranzistorul de comutare a tensiunii negative a deschis mai puţin timp prin scăderea duratei semnalului PWM , proporţional. Funcţionarea este identică pentru producerea semialternanţei negative. Semnalul la ieşire este un rezultat al diferenţei curenţilor prin cele două tranzistoare ce funcţionează în contratimp, amplificatoarele în clasa I fiind denumite "amplificatoare cu semnale PWM intercalate", care funcţionează la frecvenţe de 250kHz.

Ca o aplicaţie curentă a acestor amplificatoare este acţionarea motoarelor liniare unde motorul staţionează la ciclul de 50% şi are un cuplu mare. Prin modificarea factorului de umplere (creştere/scădere pe tranzistoarele finale) se obţin deplasări cu acceleraţii şi viteze mari cu precizie excelentă (1pm), off-set minim.

- Amplificatorul clasa S

 - amplificatorul de putere clasa S este un amplificator neliniar de comutare, ce funcţionează similar

cu amplificatorul clasa D. În clasa S amplificatorul converteşte semnalele analogice de intrare în impulsuri dreptunghiulare cu un modulator delta-sigma, le amplifică pentru a creşte puterea la ieşire iar apoi sunt demodulate cu un filtru trece bandă. Utilizând semnale digitale, acest amplificator în comutaţie amplifică semnale 0 şi 1 (deschis/blocat), unde puterea disipată este practic zero, fiind posibil sa se ajungă la randament de 100%.

- Amplificatorul clasa T

 - este un alt tip de amplificator în comutaţie, digital. Amplificatoarele în clasa T sunt tot mai utilizate ca amplificatoare audio de putere sau sunet surround multi-canal, utilizând un procesor DSP ce prelucrează semnalul digital, converteşte semnalele analogice în semnale digitale PWM pentru modularea amplificării obţinând astfel randamente ridicate. Amplificatoarele din clasa T combină nivelele scăzute ale distorsiunilor din clasa AB cu eficienţa energetică a unui amplificator de clasa D.

În concluzie, în clasificarea amplificatoarelor, de la cele liniare la cele neliniare în comutaţie, se observă că o clasă de amplificator diferă de alegerea punctului static de funcţionare de-a lungul dreptei de sarcină a amplificatoarului. Amplificatoarele din clasa A, AB, B şi C pot fi definite funcţie de unghiul de conductie, 0, astfel:

Clasa amplificatorului funcţie de unghiul de conducţie

Clasa amplificatorului	Descriere	Unghiul de conducţie
Clasa A	conducţie în ciclu complet de 360°	0 = n
Clasa B	conductie în ciclu de 180°	0 = n/2
Clasa AB	conducţie puţin peste 180°	n/2 <0 n="" span="">
Clasa C	conducţie puţin sub 180°	0
Clasa D la T	neliniare, în comutaţie	0 = 0