Stadi d’uscita: classi A, B, AB e D

L’ultimo stadio di un amplificatore deve fornire potenza a un carico: un altoparlante da 8 Ω, un motore, una linea. Qui non conta più solo il guadagno, ma l’efficienza: tutta la potenza assorbita dall’alimentazione e non consegnata al carico diventa calore nei transistor. In questa lezione confrontiamo le classi A, B, AB e D, ricaviamo il rendimento massimo della classe B e vediamo la distorsione d’incrocio.

La classe A

Il transistor conduce per tutto il periodo del segnale, polarizzato a metà della sua escursione: la corrente di riposo è almeno pari al picco della corrente nel carico. È lo stadio più lineare, ma consuma anche senza segnale. Con carico resistivo e polarizzazione a resistore il rendimento massimo è del 25%, con un trasformatore o un generatore di corrente il 50%: un amplificatore in classe A da 10 W scalda come una stufetta da 30-40 W.

La classe B

Due transistor complementari, uno npn che conduce le semionde positive e uno pnp che conduce quelle negative (push-pull), ciascuno in un inseguitore di emettitore. A riposo nessuno dei due conduce, e la potenza assorbita è proporzionale al segnale.

Teorema. Con alimentazioni , carico e uscita sinusoidale di ampiezza , il rendimento della classe B ideale è

e vale al massimo .

Dimostrazione. La potenza al carico è . Ogni alimentazione eroga corrente solo per mezzo periodo, una semionda sinusoidale di picco , il cui valore medio sul periodo intero è . Le due alimentazioni insieme forniscono . Il rapporto è

massimo per . ∎

Esempio. Con V su 8 Ω, la potenza massima è W, con circa 3,9 W dissipati nei transistor. Curiosamente la dissipazione massima non si ha a piena potenza, ma con , circa il 64% dell’escursione: è lì che va dimensionato il dissipatore.

La distorsione d’incrocio e la classe AB

Un transistor bipolare conduce solo quando supera circa 0,6 V. Con le basi collegate direttamente all’ingresso, per segnali tra −0,6 e +0,6 V nessuno dei due transistor conduce, e l’uscita resta ferma: è la distorsione d’incrocio, particolarmente fastidiosa perché pesa di più proprio sui segnali deboli.

La soluzione è la classe AB: si polarizzano le due basi con una differenza di circa 1,2 V (due diodi in serie, o un moltiplicatore di ), così entrambi i transistor conducono una piccola corrente di riposo e il passaggio dall’uno all’altro è graduale. Il rendimento resta vicino a quello della classe B. Due dettagli contano: i diodi di polarizzazione si montano sullo stesso dissipatore dei transistor, perché la loro tensione segua la deriva termica di (−2 mV/°C) ed eviti la fuga termica; e piccoli resistori di emettitore (frazioni di ohm) stabilizzano ulteriormente la corrente di riposo. Quasi tutti gli amplificatori audio lineari e gli stadi d’uscita degli operazionali sono in classe AB.

La classe D

I transistor non lavorano più in zona attiva ma come interruttori: l’uscita commuta tra le due alimentazioni a centinaia di kilohertz, con un ciclo di lavoro proporzionale al segnale (modulazione a larghezza d’impulso, PWM). Un filtro LC passa basso ricostruisce il segnale audio. Un interruttore ideale non dissipa (o la corrente o la tensione su di esso sono nulle), e i rendimenti reali superano il 90%. È la tecnologia degli amplificatori di telefoni, altoparlanti Bluetooth, televisori e impianti professionali: niente dissipatori enormi, batterie che durano di più. Il prezzo è la progettazione accurata del filtro e della disposizione dei componenti, per non irradiare disturbi.