Le classi degli amplificatori di potenza

Sebbene le principali caratteristiche operative di un amplificatore ideale siano la linearità, il guadagno del segnale, l'efficienza e la potenza in uscita, nel mondo reale avviene sempre un compromesso tra queste diverse caratteristiche. Un metodo utilizzato per distinguere le caratteristiche elettriche dei diversi tipi di amplificatori è per mezzo della loro classe. La classe di un amplificatore sta ad indicare il modo in cui il suo stadio di uscita è configurato e funziona. In questo articolo, andremo a descrivere le principali classi di amplificatori ed a compararne le caratteristiche operative.

Introduzione

Un amplificatore è un circuito elettronico a due porte che utilizza l'energia elettrica proveniente da un alimentatore per aumentare l'ampiezza (tensione o corrente) di un segnale applicato ai suoi terminali di ingresso, producendo un segnale di ampiezza proporzionalmente maggiore in uscita. La quantità di amplificazione fornita da un amplificatore viene misurata dal suo guadagno, il rapporto tra potenza di uscita e d'ingresso. Un amplificatore è definito come un circuito che ha un guadagno di potenza maggiore di uno.

Le proprietà di un amplificatore sono date da parametri che includono:

Guadagno, il rapporto tra l'entità dei segnali di uscita e di ingresso
Larghezza di banda, la larghezza della gamma di frequenza utile
Efficienza, il rapporto tra la potenza in uscita e il consumo energetico totale
Linearità, la misura in cui la proporzione tra ampiezza di ingresso e di uscita è la stessa sia per l'ingresso di ampiezza elevata che per quello di ampiezza bassa
Rumore, una misura del rumore indesiderato mescolato all'uscita
Gamma dinamica di uscita, il rapporto tra il livello utile più grande e più piccolo di uscita
Slew rate, il tasso massimo di variazione dell'output
Tempo di salita, tempo di assestamento, ringing e overshoot che caratterizzano la risposta al gradino
Stabilità, la capacità di evitare l'auto-oscillazione

Classi di amplificatori è il termine utilizzato per distinguere tra i diversi tipi di amplificatori. Le classi dell'amplificatore rappresentano la quantità di segnale di uscita che varia all'interno del circuito dell'amplificatore durante un ciclo di funzionamento quando eccitato da un segnale di ingresso sinusoidale. La classificazione degli amplificatori va dal funzionamento interamente lineare (per l'uso nell'amplificazione del segnale ad alta fedeltà) con efficienza molto bassa, al funzionamento completamente non lineare (dove una riproduzione fedele del segnale non è così importante) ma con un'efficienza molto più elevata, mentre altri sono un compromesso tra i due.

Le classi possono essere principalmente raggruppate in due gruppi fondamentali:

Il primo gruppo mette insieme i classici amplificatori che formano le classi di amplificatori più comuni A, B, AB e C, che sono definite dalla lunghezza del loro stato di conduzione su una parte della forma d'onda di uscita (angolo di conduzione = periodo di tempo in cui il dispositivo amplificatore attivo fa passare corrente, espresso come frazione del periodo della forma d'onda del segnale applicato all'ingresso), in modo tale che il funzionamento del transistor dello stadio di uscita si trovi a metà tra l'essere “completamente acceso” e “completamente spento”.
Il secondo set di amplificatori sono le nuove classi di amplificatori a commutazione D, E, F, G, S, T, ecc., che utilizzano circuiti digitali e modulazione di larghezza di impulso (PWM) per commutare costantemente il segnale tra “completamente acceso" e "completamente spento" guidando l'uscita nelle regioni di saturazione e di interruzione dei transistor.

Le classi di amplificatori più comunemente costruite sono quelle utilizzate come amplificatori audio, principalmente le classi A, B, AB e C e, per semplificare le cose, qui esamineremo più in dettaglio queste tipologie di amplificatori.

Classi di amplificatori di classe A

Gli amplificatori di classe A sono la più comune tra le topologie di amplificatore poiché utilizzano un solo transistor di commutazione di uscita (bipolare, FET, IGBT, ecc.) all'interno del design dell'amplificatore (Figura 1). Questo singolo transistor di uscita è polarizzato attorno al punto Q nel mezzo della sua linea di carico e quindi non viene mai portato nelle sue regioni di interruzione o saturazione, consentendogli così di condurre corrente su tutti i 360 gradi del ciclo del segnale di ingresso. Quindi, il transistor di uscita di una topologia di classe A non si spegne mai, il che rappresenta uno dei suoi principali svantaggi.

Gli amplificatori di classe A sono considerati la migliore classe di progettazione di amplificatori grazie principalmente alla loro eccellente linearità, guadagno elevato e bassi livelli di distorsione del segnale se progettati correttamente. Anche se raramente utilizzati in applicazioni di amplificatori ad alta potenza a causa di considerazioni termiche sull'alimentazione, gli amplificatori di classe A sono probabilmente quelli con il miglior suono tra tutte le classi di amplificatori qui menzionate e come tali vengono utilizzati nei progetti di amplificatori audio ad alta fedeltà.

Amplificatore di classe A

Per ottenere linearità e guadagno elevati, lo stadio di uscita di un amplificatore di classe A è polarizzato in maniera tale da operare sempre in zona di conduzione. Poiché un amplificatore di classe A opera nella porzione lineare della sua curva caratteristica, il singolo dispositivo di uscita conduce attraverso tutti i 360 gradi della forma d'onda di uscita. Quindi, l'amplificatore di classe A è equivalente a una sorgente di corrente.

Figura 1: Amplificatore di classe A

Poiché un amplificatore di classe A opera nella regione lineare, la tensione di polarizzazione della base (o gate) del transistor deve essere scelta per garantire un funzionamento corretto e una bassa distorsione. Tuttavia, poiché il dispositivo di uscita è sempre “acceso”, trasporta costantemente corrente, il che rappresenta una continua perdita di potenza nell’amplificatore. A causa di questa continua perdita di potenza, gli amplificatori di classe A creano enormi quantità di calore che si aggiungono alla loro bassissima efficienza pari a circa il 30%, rendendoli poco pratici per amplificazioni ad alta potenza. Pertanto, a causa della bassa efficienza e dei problemi di surriscaldamento degli amplificatori di classe A, sono state sviluppate classi di amplificatori più efficienti.

Classi di amplificatori di classe B

Gli amplificatori di classe B sono stati inventati come soluzione ai problemi di efficienza e riscaldamento associati al precedente amplificatore di classe A. L'amplificatore base di classe B utilizza due transistor complementari, bipolari o FET, per ciascuna metà della forma d'onda con il suo stadio di uscita configurato in una disposizione di tipo "push-pull", in modo che ciascun dispositivo a transistor amplifichi solo metà della forma d'onda di uscita. Nell'amplificatore di classe B, non c'è corrente di polarizzazione di base poiché la sua corrente di riposo è zero, quindi la potenza è piccola e la sua efficienza è molto superiore a quella dell'amplificatore di classe A. Tuttavia, il prezzo pagato per il miglioramento dell'efficienza risiede nella linearità del dispositivo di commutazione.

Amplificatore di classe B

Quando il segnale di ingresso diventa positivo, il transistor con polarizzazione positiva conduce mentre il transistor negativo è impostato su "spento". Allo stesso modo, quando il segnale di ingresso diventa negativo, il transistor positivo si spegne mentre il transistor con polarizzazione negativa si accende e conduce la parte negativa del segnale. Pertanto, ogni transistor conduce solo la metà del tempo, sul semiciclo positivo o negativo del segnale di ingresso (Figura 2).

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