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Amplificadores - Classes de Operação

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Tópicos: Amplificador Básico | Amplificador Classe A | Amplificador Classe AB | Amplificador Classe B | Amplificador Classe C | Amplificador Classe D |

1) Amplificador Básico

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A Figura 1-I dá o diagrama de um amplificador básico. O elemento ativo é o componente que faz a amplificação. Pode ser um transistor ou, em outras épocas, uma válvula termiônica. Os pontos M e O correspondem aos de circulação do sinal amplificado (coletor e emissor no caso de transistor ou placa e catodo no caso de válvula). O ponto N é a entrada de controle do elemento, isto é, base para transistor ou grade para válvula termiônica. O sinal de entrada é aplicado através de um capacitor para prevenir a passagem de correntes contínuas eventualmente existentes.

Amplificador Básico
Fig 1-I

O elemento ativo amplifica o sinal de entrada e as variações de corrente produzem queda de tensão no resistor de carga Rc, de onde é retirado o sinal amplificado. O capacitor C1 (em muitos casos, um eletrolítico da alto valor) opera como filtro para evitar que variações de corrente em R3 (que é a corrente amplificada) interfiram no funcionamento do circuito.

Polarização de um amplificador
Fig 1-II

Os resistores R1, R2 e R3 definem o potencial da entrada N do elemento em relação a O e M, isto é, a sua polarização. Assim, o sinal efetivamente aplicado em N é a soma do sinal de entrada com a polarização. Exemplos conforme Figura 1-II: na parte superior uma polarização positiva alta resulta num sinal em N variando somente no positivo. Na parte inferior, uma pequena polarização negativa resulta num sinal variando do positivo ao negativo.

O elemento ativo, transistor ou válvula, tem uma curva de operação, isto é, uma curva que indica a relação funcional entre a entrada e a saída. O nível de polarização e os níveis máximo e mínimo do sinal de entrada definem a faixa da curva em que o amplificador opera. Diferentes faixas de operação implicam diferentes resultados em termos de eficiência, distorção, etc. Às faixas comuns de operação de amplificadores, dá-se o nome de classe de operação.


2) Amplificador Classe A

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Na Figura 2-I, Im é a corrente na carga Rc do circuito da Figura 1-I do tópico anterior, Vn é a tensão na entrada N e a curva maior, a relação entre elas. É uma curva típica de válvulas, mas o princípio é o mesmo para transistores. A polarização em N é dada por Vp e o nível do sinal de entrada é tal que a tensão em N oscila entre Vnmin e Vnmax. O sinal amplificado resulta numa corrente na saída que varia entre Immin e Immax. Nota-se que o dispositivo trabalha na parte linear da curva e teoricamente não há distorção do sinal. Essa condição é denominada classe A de operação.

Amplificador Classe A
Fig 2-I

Na condição quiescente, isto é, na ausência do sinal, há uma corrente quiescente Imq que circula pelo dispositivo. Essa corrente na saída mesmo sem sinal significa consumo de energia que, na prática, representa mais que 50% do total, ou seja, baixa eficiência energética. E faz inviável o emprego na parte de potência de equipamentos portáteis alimentados por baterias. Classe A é geralmente usada em etapas intermediárias, onde a potência dissipada é pequena.


3) Amplificador Classe AB

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Para reduzir a potência dissipada na ausência do sinal, pode-se alterar a polarização e limites do sinal de entrada conforme Figura 3-I. A tensão de entrada pode inclusive ficar abaixo do ponto de corte, quando a corrente de saída será nula, ou seja, Immin é zero.

Amplificador Classe AB
Fig 3-I

A menor corrente quiescente resulta em maior eficiência energética se comparada à classe A. Entretanto, devido ao trabalho em uma região parcialmente não linear e ao corte de uma parte do sinal, a distorção é considerável, o que limita o uso dessa condição de operação.

Obs: algumas vezes são usadas as notações AB1 para o caso da tensão mínima na entrada igual à de corte e AB2 para o caso da tensão mínima menor conforme figura.


4) Amplificador Classe B

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A Figura 4-I dá o princípio de operação do amplificador classe B. A polarização é ajustada no ponto de corte do componente amplificador. Nessa condição, um semiciclo do sinal é completamente removido da saída.

Amplificador Classe B
Fig 4-I

Por ser nula a corrente na ausência de sinal, a eficiência energética é superior à dos anteriores. Entretanto, a remoção de um semiciclo na saída representa uma severa distorção e pode-se supor que não serve para áudio por exemplo. Mas o problema pode ser contornado com um arranjo conforme Figura 4-II, denominado push-pull: o transformador de entrada Te aplica sinais de fases opostas em cada transistor e, na saída, os semiciclos são recombinados pelo transformador Ts, voltando o sinal ao seu formato original.

Amplificador classe B: circuito push-pull
Fig 4-II

No caso de transistores, há uma deformação adicional porque eles só conduzem acima de uma certa tensão (cerca de 0,6 V). Mas um ajuste adequado de polarização e outros recursos proporcionam níveis aceitáveis de distorção. A qualidade do amplificador depende também de outros fatores, como o uso de transformadores de baixa distorção.


5) Amplificador Classe C

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Conforme Figura 5-I, no amplificador classe C a polarização está abaixo da tensão de corte. Isso significa que apenas uma parte de um semiciclo está presente na saída. De forma similar ao anterior, não há corrente na ausência de sinal. O trabalho com uma parte de um semiciclo aumenta a eficiência energética em comparação com a classe B. Não pode ser empregado como amplificador de áudio porque não há meio de restaurar o sinal.

Amplificador Classe C
Fig 5-I

Amplificadores classe C podem ser usados em etapas de potência de transmissores de radiofrequência. Filtros e circuitos ressonantes restauram o sinal e eliminam harmônicos.


6) Amplificador Classe D

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Amplificadores classe B são uma boa solução para estágios de potência de áudio. Mas os transformadores para a faixa de áudio são pesados e volumosos, limitando o emprego em equipamentos compactos e/ou portáteis. No amplificadores classe D, os transistores operam como chaves, isto é, ou estão totalmente cortados ou totalmente condutores. Se fossem ideais, a eficiência energética seria 100%. Valores práticos podem ser perto de 90%.

Amplificador Classe D
Fig 6-I

A letra D pode parecer digital, mas é continuação da série. O princípio básico é analógico. Não há códigos binários na operação. Os primeiros foram desenvolvidos no início da década de 1950, com válvulas termiônicas. A Figura 6-I mostra o circuito básico simplificado. São usados dois MOSFETs complementares que operam como chaves. Eles recebem a saída Vc de um comparador que, por sua vez, recebe um sinal triangular e o sinal de entrada. Na saída do comparador ocorre: Vc é negativo se Ve > Vt e positivo se Ve < Vt. Se Vc é negativo, Q1 está conduzindo e Q2 cortado. Assim, Vm ≈ +Vcc. E vice-versa.

Sinais em um amplificador classe D
Fig 6-II

O resultado é mostrado na Figura 6-II: Vm é uma série de pulsos, cujas larguras têm relação com a intensidade do sinal de entrada. Uma espécie de modulação por largura de pulsos (PWM). O filtro passa-baixas formado por L e C passa o valor médio do sinal quadrado para o alto-falante, recompondo o senoidal. R1 e C1 compensam a reatância indutiva do alto-falante de forma que ele seja visto como uma carga resistiva. Nota-se que, se a entrada é nula, Vm é um sinal quadrado simétrico e o valor médio é nulo, ou seja, a saída também é nula.

Para uma boa aproximação, a frequência do sinal triangular deve ser significativamente superior à do sinal de entrada. No caso de áudio, valores típicos estão na faixa de 100 kHz a 1 MHz, dependendo da fidelidade desejada.

Gerador de sinal triangular
Fig 6-III

O sinal triangular pode ser gerado por um circuito conforme Figura 6-III. O conjunto amplificador operacional AO, resistor R1 e capacitor C1 opera como integrador. A tensão na saída de AO sobe em rampa até chegar a um nível suficiente para comutar o comparador, quando passa a descer em rampa e o processo se repete. A tensão de pico de Vt é dada por Vtp = R2 Vc / R3, onde Vc é a tensão de saída do comparador. A frequência é calculada por ft = R3 / (4 R1 R2 C1).

Além do arranjo básico apresentado, há outras implementações de amplificadores classe D, como realimentação negativa para melhor qualidade e operação em ponte, com 4 MOSFETs, para maior potência e evitar dupla tensão de alimentação.
Referências
Pesquisa na Internet em 04/2008. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mar/2018