Amplificadores clase B

Amplificadores que usan parejas de transistores para obtener una señal

completa, con un mejor rendimiento.

Los amplificadores Clase A son la forma más común de operar un transistor como circuito lineal, es el primero en simplicidad y el circuito polarizado más estable. Con la mínima distorsión o casi nula, pero no es la clase de mejor rendimiento.En los circuitos amplificadores clase B es necesitan usar dos transistores por etapa, ya que cada uno maneja solamente 180º de la señal alterna de entrada. Por tanto para tener la señal completa a la salida ambos transistores deben funcionar. Hay dos esquemas básicos para poner a operar un amplificador clase B y son a) circuito contrafase (usa transformadores de acople) y b) circuito Push-Pull (con transistores complementarios).

Circuito en contrafase:Es el primer circuito clase B básico construido aún antes de existir los circuitos integrados. Como un transistor al funcionar en clase B sólo conduce la mitad del ciclo de la señal de entrada y esto produciría una gran distorsión, se usa montar dos transistores desfasados 180º el uno con respecto al otro a fin que la señal de salida sea igual a la de entrada con la más baja distorsión posible, y el mejor rendimiento.

Como se ve en la figura, para generar la contra fase, se usan transformadores a fin de desfasar la señal para cada transistor, y además para acoplar las impedancias tanto de entrada como de salida al parlante o altavoz

+

+ __+

+

Q1 15

6

48

V C C

A ltav oz

Q2

1 5

6

4 8

+_+

_ _V in

Este circuito se llama contrafase. La señal de entrada VIN en el primario del transformador de entrada (T1), produce en el bobinado secundario dividido, dos señales iguales y como se ve, de sentidos contrarios, haciendo que Q1 conduzca y Q2 este en corte. La corriente del bobinado primario del transformador de salida (T2), provoca un voltaje invertido en el bobinado secundario acoplado al altavoz.En el otro semiciclo del voltaje de entrada, invierte los voltajes de polarización y ahora conduce Q2 y Q1 entra en corte, entregando su señal amplificada al otro medio bobinado de T2, cambiando la polaridad del voltaje entregado al altavoz, completando el ciclo.

Ventajas y desventajas:

-Como no hay polarización cada transistor está en corte cuando no hay señal de entrada, entonces no hay consumo cuando no hay señal.- Otra ventaja es el aumento del rendimiento, cuando no hay señal de entrada, no consume y el rendimiento de un amplificador en contra fase es del 78,5%, por lo tanto este sistema es más popular que el clase A.- Su principal desventaja es el uso de transformadores y por esto han dejado de usarlo, pues además de pesados y costosos, limitan en ancho de banda de los amplificadores.

El punto Q: Un amplificador clase B está polarizado en el punto de corte, donde ICQ = 0 y VCEQ = VCE(corte). Sólo sale del corte a la región lineal cuando la señal de entrada lo excita hacia la conducción.

+ V C C

RE

V in

V out

0 V

Conduc e

A pagado

0,7 V>

>

En la figura vemos un circuito en que la salida no es una replica de la entrada, por lo que hay que usar una configuración con

Dos transistores, denominada amplificador equilibrado y así obtener una replica bastante aceptable de la onda de entrada.Para evitar la distorsión que se produce en el cruce de la señal de entrada cuando cruza por cero debido a que los transistores no conducen sino cuando la señal de entrada sobrepasa los 0,7 voltios, hay que polarizarlos con un divisor resistivo en las bases (R1, R2). Como las bases están conectadas al secundario del transformador de entrada, el cual tiene una conexión en el centro del bobinado, allí se coloca el divisor de forma de polarizar los dos transistores a la vez y así disminuir al mínimo la distorsión.

15

6

48

1 5

6

4 8

V C C

V in

+

R2Q2

Q1

C

+

V C C

A ltav oz

R1

Se usa colocar un condensador de desacople a fin de evitar que señales sepureas entren y se sumen con la señal de entrada produciendo señales no deseables. Este tipo de amplificador dejó de ser usado debido a los transformadores

Voluminosos, pesados y que limitaban el sonido a frecuencias menores a 10 Khz. Apareciendo otro tipo de amplificadores clase B llamados Push-Pull.

Amplificadores Push-PullVeamos otro amplificador clase B que se usa con mejoras sobre el anterior tipo contrafase con transformadores, este es por lo tanto más liviano, con mejor respuesta de frecuencia y con la facilidad de se encapsulado en un solo empaque integrado. Llamado comúnmente PUSH-PULL.En la figura se ve que el amplificador está formado por dos transistores en configuración de seguidor emisor (colector común), complementarios, ose usa un transistor NPN y otro PNP, de manera que conducen en ciclos opuestos de la señal de entrada. _

V in

Q1

RLQ2

+ V C C

V C C

V out

En la base no hay voltaje de polarización de DC (VB = 0) por tanto el sólo voltaje de la señal excita los transistores hacia la conducción. Q1 conduce durante el semiciclo positivo y Q2 durante el semiciclo negativo de la señal de entrada. Distorsión de cruceCuando el voltaje de DC en la base es cero, el voltaje de la señal de entrada,

debe sobrepasar el VBE antes que el transistor conduzca.Debido a esto entre semiciclo positivos y negativo de la señal de entrada hay un tiempo, en el cual ninguno de los dos transistores conduce, apareciendo una distorsión llamada distorsión de cruce.

oV in

Q 1 o f fQ 2 o n

Q 1 o nQ 2 o f f

V o u t

- V b e

Q 1 o f fQ 2 o f f

+V b e

Polarización del amplificador Push-PullPara eliminar la llamada distorsión de cruce, ambos transistores en la configuración Push-Pull deben estar ligeramente por encima del corte cuando no hay señal de entrada. Lo anterior se puede lograr con un divisor

+

C 2

V out

R 1

V in

V C C

R 3

Q2

_

Q1

V C C

RL

R 2

C 1

de voltaje. En este circuito es difícil de mantener un punto estable, debido a los cambios en VBE con la temperatura. (Si acoplamos RL con un condensador, no es necesario usar dos fuentes de alimentación, pues con una basta para alimentar el circuito). En la figura siguiente veremos un circuito mejorado, usando una sola fuente.

En esta figura damos una polarización más estable pues las características de los diodos D1 y D2 corresponden estrechamente a la transconductancia de los transistores.

RL

C 1

D 2

D 1V out

C 3

+

R 1

Q2

V C C

C 2

Q1

R 2

V in

Esto también se puede lograr usando la unión base-emisor de transistores adicionales en vez de los diodos D1 y D2.

Este circuito se usa cuando se hacen dentro de un sólo integrado como parte del circuito ya que es más fácil hace los transistores con las mismas características de VBE que los demás.

>

A

Q1

V C C

>

D 1

*

V cc /2 Q2

*

>

+

V cc /2

>

D 2 >

V cc /2

R 1

>

R 2

En la figura de la derecha vemos el circuito equivalente en DC., del amplificador Push-Pull, R1 y R2 son del mismo valor, luego el voltaje en A (entre los diodos D1 y D2) es VCC/2, supongamos que ambos diodos y los transistores son idénticos, la caída a través de D1 es igual al VBE de Q1 y la caída en D2 es igual al VBE de Q2. Como resultado el voltaje en los emisores también es VCC/2 por tanto VCEQ1

= VCEQ2 = VCC/2 dado que ambos transistores están polarizados cerca del corte ICQ ≈ 0.Ejemplo: Determine los voltajes DC en las bases y emisores de Q1 y Q2, determine el VCEQ para cada transistor. Suponga que VD1 = VD2 = VBE = 0,7 V

RL

C 1

R 2

20 V

D 1

D 2

1K

C 3

V C C+

1K

C 2

V out

R 1

V in

Q2

Q1

+ 20 V

<

1 k

V d2 = 0 ,7 V

It 1 k

V d1 = 0 ,7 V

V C C

IT = (VCC – VD1 – VD2)/(R1 + R2) = (20 -1,4)/(2K) = 9,3 mA VB1 = VCC – ITR1 = 20 V – (9,3mA)(1K) = 10,7 VVB2 = VB1 – VD1 – VD2 = 10,7 – 1,4 = 9,3 V VE1 = VE2 = VB1 – VBE = 10.7 – 0,7 = 10 V Por tantoVCEQ1 = VCEQ2 = VCC/2 = 20V/2 = 10 V

Operación en AC.:En condiciones máximas, los transistores Q1 y Q2 son excitados alternadamente desde cerca de corte hasta cerca de saturación. Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada, el emisor de Q1 es excitado desde el valor del punto Q igual a VCC/2 hasta cerca de VCC, produciendo

un voltaje pico positivo aproximadamente igual a VCEQ. Al mismo tiempo la corriente de Q1 incursiona desde su valor del punto Q próximo a cero hasta cerca de saturación.

<

V c e

D 2

<

<

Q1

Q2

D 1

R 2V in

V c eq

+

RL

*<

>

V C C

IL*

Ic (s at)

R 1

0

Ic

> V c e

Ic (s at)

V c eq=V c c /2

>

En términos de la recta de carga en AC, el VCE de ambos transistores incursiona desde VCC/2 hasta cerca de cero y la corriente incursiona desde cero hasta IC(sat) en virtud que el voltaje pico a través

de cada transistor es VCEQ, entonces la corriente de saturación de AC es:IC = VCEQ/RL

Dado que IE ≈ IC la corriente de salida es la de emisor, entonces la corriente de salida pico también es:

IE(pico) = VCEQ / RL

Ejemplo: Determine los valores pico máximo para el voltaje y la corriente de salida del circuito de la figura.

C 2

V C C

V out

R 1

V in

Q2

5

Q1

RL

C 1

R 2

D 1

D 2

1K

1K

C 3

20 V+

Voltaje de salida pico máximo es:Vsal(pico) ≈ VCEQ = VCC/2 = 20 V / 2 = 10 V

La corriente de salida pico máxima es:Isal(pico)

≈ IC(sat) = VCEQ / RL = 10 V / 5Ω = 2 Amp.

Potencia máxima de salida:Ya se demostró que la corriente de salida máxima es aproximadamente IC(sat) y que el voltaje de salida máximo es aproximadamente VCEQ. La potencia de salida promedio máxima es:

Psal = Vsal(eficaz)Isal(eficaz)

Dado que Vsal(eficaz) = 0,707 Vsal(pico) = 0,707VCEQ = √2/2VCEQ y Isal(eficaz) = 0,707Isal(pico) = 0,707IC(sat) = √2/2IC(sat)

Entonces:Psal = 0,5VCEQIC(sat)

Al sustituir VCEQ por VCC/2 se obtiene:Psal = 0,25 VCC IC(sat)

Potencia de entrada de DC:La potencia de entrada proveniente de la alimentación VCC es:

PDC = VCC .ICC Como cada transistor toma corriente durante un semiciclo, la corriente es una señal de media onda con un valor promedio igual a:

ICC = IC(sat)/π = o,318 IC(sat)

De modo que tenemosPDC = 0,318VCCIC(sat)

Eficiencia:La gran ventaja de los amplificadores Push-Pull clase B sobre los de clase A, es su eficiencia mucho más alta. Esta eficiencia compensa la dificultad de polarizar al amplificador Push-Pull para eliminar la distorsión de cruce.

Eficiencia η = Psal /PDC

La eficiencia máxima para un amplificador clase B se denota η(max) Η(max) = Psal / PDC = (0,25VCCIc(sat))/(0,318VCCIc(sat)) = 0,785

Lo normal es entregar la eficiencia en porcentaje al 100% entonces tenemos:η% = η.100% = 0,785x100% = 78,5%

Excitación para un amplificador Push-Pull clase B El circuito usado anteriormente el acople de la señal de entrada al amplificador clase B Push-Pull, no es la mejor forma de excitar un amplificador clase B. Es más sencillo usar una etapa en emisor común acolada directamente (como se usa en los amplificadores operacionales).

R2

V C C+

C 2

C1

R3

R 1

V out

Q3

V in

Q2

D 2

R4

20 V

D 1

RLQ1

5

El transistor Q1 es una fuente de corriente que establece la corriente continua de polarización de los diodos D1 y D2. Ajustando R2 se puede controlar la corriente continua del emisor (IE) por R4

Significa que Q1 fija la corriente por los diodos de compensación. Debido a los diodos polarizados el mismo valor de corriente existe en los colectores de Q2 y Q3 (Como en las fuentes de corriente espejo).

Cuando llega la señal alterna de entrada a la base de Q1 se excitan las bases de Q2 y Q3, actuando Q1 como un amplificador con resistencia de emisor sin desacoplar. Amplificando e invirtiendo la señal alterna de entrada en el colector de Q1. Durante el medio ciclo positivo Q2 conduce y Q3 está cortado, y en el medio ciclo negativo Q3 conduce y Q2 está cortado transfiriendo la señal alterna a la carga a través del condensador de acople.

B 2

R3

Q1

R4

B 3

re'

re'

R4

V in

R3En la figura se ve el circuito equivalente para la señal AC de la etapa de emisor común. Los diodos se han sustituido por sus resistencias intrínsecas para AC. En cualquier circuito práctico re’ es menos de 100 Ω veces menor que R3. Por lo tanto el circuito para AC se puede simplificar, como se ve en la figura de la derecha, donde se ve la etapa excitadora, la cual es un amplificador con resistencia de emisor sin desacoplar, con una ganancia de tensión sin

carga aproximadamente de:AV = R3 / R4

Generalmente la Zent(base) del transistor en clase B es muy alta (colector común) por lo que la ganancia de voltaje con carga de la etapa excitadora es casi igual a la ganancia de voltaje sin carga. Ya que los transistores Q2 y Q3 funcionan como un seguidor emisor.