Stadio di uscita o finale

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1 Stadio di uscita o finale È l'ultimo stadio di una cascata di stadi amplificatori e costituisce l'interfaccia con il carico quindi è generalmente un buffer con funzione di adattamento di impedenza. Considerato che in questo stadio: l'ampiezza del segnale di ingresso è quella massima nella cascata; si deve erogare al carico la potenza necessaria per il suo funzionamento; la potenza da dissipare è quella più elevata e quindi la temperatura è massima; le prestazioni richieste sono radicalmente diverse da quelle degli altri stadi. Prestazioni richieste allo stadio di uscita: potenza da erogare al carico e non ampiezza del segnale di uscita (spesso conta di più massimizzare il trasferimento di potenza che realizzare un generatore ideale); distorsione armonica totale (THD), cioè il rapporto (espresso in %) fra il valore efficace delle componenti armoniche e quello della fondamentale nel segnale di uscita in risposta ad un segnale sinusoidale in ingresso. efficienza di conversione di potenza. protezioni contro i guasti derivanti da condizioni di carico improprie e accidentali (ad esempio cortocircuito e circuito aperto). G. Martines 1

2 Efficienza di conversione di potenza Si definisce il rapporto (η) fra la potenza media erogata al carico (P L ) e quella assorbita dalla alimentazione (P S ): η= P L P S. Per un segnale sinusoidale di ampiezza V L si ha P L =( V L / 2 R L )2= 1 2 Per una tensione di alimentazione V DC si ha P S =V DC I se con I si indica la corrente media negli alimentatori. La potenza dissipata nel circuito sotto forma di calore (P D ) è la differenza P D =P S P L ovvero P D P S =1 η Per migliorare il rendimento di un amplificatore è necessario ridurre la potenza media dissipata ovvero l'angolo di conduzione (ϑ C ), cioè la percentuale di periodo di un segnale sinusoidale in cui la corrente del transistore è diversa da zero. V L 2 R L G. Martines 2

3 Classificazione degli stadi finali Sulla base dell'angolo di conduzione ϑ C : Un amplificatore si dice in classe A se l'angolo di conduzione è θ C =2π come in tutti gli stadi amplificatori finora esaminati. Un amplificatore si dice in classe B se l'angolo di conduzione è θ C =π come nello stadio push-pull. Un amplificatore si dice in classe AB se l'angolo di conduzione è π<θ C 2π ma in generale prossimo a 180. Per θ C <π la corrente può considerarsi una forma d'onda impulsiva ed a seconda del metodo utilizzato per codificare il segnale si hanno le classi C, D, E etc. G. Martines 3

4 Stadio di uscita in classe A: inseguitore di source È la normale configurazione CS, generalmente con un generatore di corrente per la polarizzazione. A vuoto la trans-caratteristica è caratterizzata da v O =v I V GS =v I V TN e quindi V GS una costante è una retta a pendenza unitaria. (2I SS K N ) essendo I D =I SS I limiti per v I e v O derivano dal funzionamento in saturazione sia di M1 che del generatore di corrente costante. G. Martines 4

5 Stadio di uscita in classe A: inseguitore di source In presenza del carico R L la corrente nel transistore varia con v I : i S =I SS + v o R L e si annulla per v O =v MIN = I SS R L Rendimento dello stadio: Assumendo un segnale di uscita sinusoidale di ampiezza V O, la potenza erogata al carico T( è P L =V 2 O / 2R L mentre quella assorbita dall'alimentazione è P S =I SS (V DD +V SS )+ 1 T V O sin(ω t) V 0 DD) dt=i SS(V DD +V SS ) poiché il valore medio R L della corrente sinusoidale vale 0; assumendo V DD =V SS, il rendimento vale η= V 2 O/2R L. Il massimo si ha per v 2I SS V O =V DD e vale η= V 2 DD 1 = 1 DD 2R L 2I SS V DD 4 G. Martines 5 cioè il 25%.

6 Stadio di uscita in classe B: stadio push-pull È costituito da due inseguitori di tensione realizzati con transistori complementari polarizzati a I D =0. Rendimento dello stadio: Per un segnale di uscita sinusoidale di ampiezza V O, la potenza erogata al carico è P L =V 2 O / 2R L mentre la potenza media assorbita da ciascuno degli alimentatori vale P S = 1 T /2 ( T V V O DD sin( 2π 0 R L T t) ) dt=v DD V O. Il rendimento è quindi π R L dato da η= V 2 O/2R L = π V O e per V 2V DD V O /π R L 4 V O =V DD è massimo e vale π/4 cioè 78,5%. DD G. Martines 6

7 Stadio di uscita in classe B: stadio push-pull Le equazioni di progetto Per dimensionare lo stadio bisogna definire oltre la potenza che l'alimentazione deve fornire anche quella che i transistori devono essere in grado di dissipare. La potenza media dissipata in ciascun transistore varia con V O secondo la relazione: P D = P S P L = V DDV O V 2 O 2 π R L 4R L Il massimo si ha per V O =2V DD /π cui corrisponde un rendimento del 50% ed una potenza dissipata su ciascun transistore P Dmax = V DD π 2 R L 2 G. Martines 7

8 Distorsione da cross-over In realtà la trans-caratteristica dello stadio con MOS ad arricchimento non è una retta perché per V TP V GS V TN entrambi i transistori sono interdetti (zona di cross-over). Il segnale di uscita risulta quindi distorto. La distorsione può essere accettabile se V O è molto maggiore della zona di crossover o può essere ridotta con una opportuna reazione negativa. G. Martines 8

9 Stadio push-pull con controreazione un esempio +V DD v I + Q 1 - Q 2 v O R L -V SS L'effetto della controreazione è quello di ridurre la zona di cross-over praticamente del guadagno ad anello aperto dell'amplificatore (in questo caso un operazionale); nella regione di cross-over infatti il guadagno dello stadio finale è nullo e l'anello di reazione risulta aperto. G. Martines 9

10 Stadio di uscita in classe AB Principio di funzionamento La distorsione di cross-over può essere eliminata polarizzando i due inseguitori di tensione al limite della regione di interdizione cioè con una corrente di drain a riposo piccola rispetto alla corrente massima sul carico. Uno schema circuitale di principio. La trans-caratteristica non presenta più la regione di attraversamento ed è una retta a pendenza circa unitaria passante per l'origine. G. Martines 10

11 Stadio di uscita in classe AB Ipotesi: i transistori sono uguali cioè K P =K N V TN = V TP. e Per v I =0 allora: le I D sono uguali essendo V GS1 = V GS2 =V G G /2 e pari a I D = K ( V N G G TN)2 2 2 V e quindi la corrente sul carico è nulla e nulla è la tensione di uscita. Per v I >0 allora V GS1 >V G G /2 e i D1 >I D, contemporaneamente V GS2 > V G G /2 e i D2 <I D e quindi i L =i D1 i D2 >0 e v O cresce. La corrente in M2 si annulla per V GS2 V TP e quindi i L =i D1 come nel normale inseguitore di tensione in classe A. Analogo ragionamento per v I <0. G. Martines 11

12 Stadio di uscita in classe AB Circuito di polarizzazione con resistenza e generatore di corrente Il circuito funziona come quello di principio perché le correnti di gate sono nulle ma la transcaratteristica non passa per l'origine ma per v I = V G G /2. G. Martines 12

13 Stadio di uscita in classe AB Circuito di polarizzazione con diodi e generatore di corrente I transistori Q 1 e Q 2 sono connessi a diodo e quindi generano una tensione V G G 2 TN+ =V 2I BIAS. K N Il circuito può anche essere letto come due specchi di corrente. G. Martines 13

14 Esempio di amplificatore operazionale elementare non sono esplicitati i circuiti che realizzano i generatori di corrente di polarizzazione. G. Martines 14

15 Stadio finale: protezione da cortocircuito Quando il transistore M 2 entra in conduzione, sottrae corrente alla resistenza R G deviandola sul carico e impedendo l'incremento di V GS1. G. Martines 15

16 G. Martines 16

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