Amplificatori in classe B

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1 Amplificatori in classe B Lo schema semplificato di un amplificatore in classe B è mostrato in figura. Si tratta di una classica configurazione push-pull a simmetria complementare, nella quale i due componenti attivi conducono alternativamente, TI durante la semionda positiva di V i, T2 durante quella negativa, permettendo la ricostruzione del segnale sul carico. Amplificatore in classe B pushpull a simmetria complementare. Si noti come, rispetto ad entrambi i transistor, la connessione dell'amplificatore sia ad inseguitore di tensione (emitter follower). Dal momento che il guadagno di tensione per questo tipo di configurazione è approssimativamente unitario, l'ampiezza del segnale sul carico può considerarsi uguale a quella del segnale di ingresso. Viene analizzata inizialmente la configurazione ad alimentazione duale, più ido nea se è richiesta un'ampia escursione del segnale di uscita, mentre successiva mente estenderemo lo studio al circuito con singola alimentazione. Alimentazione duale Cerchiamo di capire meglio il funzionamento dell'amplificatore trascurando per il momento la caduta di tensione V BE del BJT 'on', considerando del tutto complementari i due transistor. L'obiettivo finale è comunque quello di ricavare i parametri energetici. In assenza di segnale di ingresso entrambi i transistor sono interdetti; la corrente a riposo è dunque nulla. T1 presenta pertanto una V CEQ = Vcc (punto di riposo Q), mentre per T2 V CEQ = V CC. Nel semiperiodo in cui V i è positiva TI è 'on' e T2 è 'off'. Sul carico circola corrente di segnale e quindi la Vc E 1 assume valori inferiori a Vcc fino a raggiungere un minimo pari a Vcc V LM. Sfruttando tutta la zona attiva si può teoricamente arrivare ad una V CE =0; ciò significa produrre sul carico un segnale con ampiezza massima pari a Vcc. Il funzionamento durante la semionda negativa è analogo al precedente e può essere ripetuto, a transistor invertiti, partendo dall'osservazione della figura precedente. Prima di passare al calcolo del rendimento di conversione sono opportune alcune osservazioni: 1

2 rispetto all'amplificatore in classe A, con alimentazione duale, è possibile ottenere sul carico un segnale di ampiezza superiore (Vcc contro Vcc/2) e quindi una potenza utile maggiore; la corrente di collettore a riposo è nulla, mentre in presenza di segnale su ogni BJT circola una corrente con valor medio, in un periodo, diverso da zero; da quanto espresso fino a questo punto, comunque, possiamo aspettarci un rendimento migliore rispetto alla classe A. Il massimo rendimento di conversione vale idealmente 2

3 Alimentazione singola Volendo realizzare un amplificatore in classe B ad una sola alimentazione lo schema semplificato dell'idoneo circuito è quello della figura successiva. Siamo sempre di fronte ad una configurazione a simmetria complementare, che presenta però un condensatore di elevato valore capacitivo il quale, in pratica, Amplificatore in classe B con singola alimentazione. sostituisce l'alimentazione negativa comportandosi da batteria durante il semiperiodo di 3

4 conduzione di T2. Le basi dei due transistor vengono polarizzate a Vcc/2; uguale tensione è presente, a riposo, ai capi del condensatore, che continua a mantenere questa carica anche in presenza di segnale, non potendo seguirne le variazioni, in virtù del suo valore opportunamente elevato. In assenza di segnale quindi ciascun BJT viene a trovarsi a lavorare in un punto Q nel quale presenta una V c EQ pari, in modulo, a Vcc/2. Durante la semionda positiva del segnale di ingresso la tensione di base dei BJT si porta oltre il valore Vcc/2; la situazione è simile a quella vista con alimentazione duale, con T1 `on' e T2 'off'. La corrente di emettitore di T1 circola sul carico, ai capi del quale viene riprodotto un semiperiodo del segnale. Il condensatore, pur mantenendo approssimativamente invariata la tensione tra le sue armature, accumula in questa fase un po' di carica, che cede successivamente nel secondo semiperiodo durante il quale è T2 a condurre. È infatti l'energia prima immagazzinata ed ora fornita dal condensatore a sostenere la corrente, in quanto, essendo T1 interdetto, l'alimentazione del circuito si trova isolata dal carico. L'ampiezza massima del segnale è, per questo circuito, pari a Vcc/2, perché tale è approssimativamente l'escursione ammessa per la Vc E di ciascun transistor. Il BJT interdetto è a sua volta sottoposto ad una tensione massima, tra collettore ed emettitore, uguale a Vcc Distorsione di cross-over. Nella trattazione svolta fino a questo punto è stata sempre trascurata la c.d.t. tra la base e l'emettitore del transistor `on' dello stadio di potenza. L'approssimazione, comoda per lo studio analitico, non permette però di valutare un fenomeno importante ai fini della qualità del segnale riprodotto sul carico. Considerando indifferentemente la soluzione a singola o a doppia alimentazione, ad esempio la seconda, si osservi come, fino a che v i i non supera la tensione di soglia V BE =0,6 V, 4

5 il transistor da mandare in conduzione rimanga interdetto e il segnale di uscita nullo. Quando invece v i assume valore tale da superare la soglia di tensione, il funzionamento è quello già visto. La tensione sul carico risulta perciò non perfettamente riprodotta e presenta un fenomeno di distorsione definita d'incrocio o di cross-over. 5

6 Amplificatori in classe C Come abbiamo anticipato un amplificatore lavora in classe C quando l'angolo di circolazione della corrente di collettore mi nore d i Pertanto, affinchè possa lavorare in classe C, l'elemento attivo dell'amplificatore deve essere polarizzato al di sotto dell'interdizione e cioè, nel caso di transistori, la base deve essere negativa o positiva rispetto all'emettitore a seconda che siano rispettivamente N-P-N o P-N-P. Per il teorema di Fourier la corrente impulsiva si può considerare composta: da una componente continua, Analisi armonica di una corrente impulsiva da una prima armonica di frequenza pari a quella d'ingresso e da un certo numero di armoniche con frequenze multiple, fig. prec edente. Essendo la resistenza di carico di questi amplificatori costituita da un circuito risonante parallelo, basta accordare questo sulla frequenza della tensione in ingresso. In tal caso si verificherà infatti che il circuito verrà eccitato solo dalla prima armonica in quanto la componente continua va a massa attraverso l'induttanza, e le altre armoniche si scaricano anch'esse attraverso il condensatore. Nascerà così ai capi del circuito risonante, nonostante il regime impulsivo, una tensione sinusoidale con la stessa frequenza di quella d'ingresso, con fase opposta per la nota proprietà d'inversione di fase provocata dall'elemento attivo, e con ampiezza 6

7 E = Rp I In questa formula Rp è la resistenza presentata dal circuito risonante, alla frequenza di risonanza, ed I è l'ampiezza della componente fondamentale della corrente. In fig. successiva sono riportati gli andamenti delle tensioni e della corrente. validi per gli amplificatori in classe C. Polarizzazione parallelo Negli schemi di principio, si osserva che la polarizzazione della base è data da una batteria, (polarizzazione fissa). Però spesso viene usato un altro tipo di polarizzazione che sfrutta il passaggio della corrente di base. Infatti, per quanto abbiamo detto, la corrente nell'elemento di comando è impulsiva e pertanto è scomponibile in una componente continua e in un certo numero di armoniche. La componente continua della corrente provoca una c. d. t. continua ai capi della resistenza, R b, che, dato il verso della corrente, polarizza negativamente il transistore N-P -N, mentre le componenti alternate sono corto circuitate dal condensatore, C b se la sua reattanza è piccola in confronto alla resistenza. Questo tipo di polarizzazione presenta un'azione autostabilizzante che cost itui sce un vantaggio ri spett o alla polarizzazi one fissa. Infatti c on un'opportuna costante di tempo del gruppo R b - C b si hanno, per eventuali fluttuazioni del segnale d'ingresso, polarizzazioni diverse che tendono a mantenere costante l'ampiezza dell'impulso di corrente in uscita.. 7