Stadio di uscita o finale

Stadio di uscita o finale
È l'ultimo stadio di una cascata di stadi amplificatori e costituisce l'interfaccia con il carico
quindi è generalmente un buffer con funzione di adattamento di impedenza.
Considerato che in questo stadio:
• l'ampiezza del segnale di ingresso è quella massima nella cascata;
• si deve erogare al carico la potenza necessaria per il suo funzionamento;
• la potenza da dissipare è quella più elevata e quindi la temperatura è massima;
le prestazioni richieste sono radicalmente diverse da quelle degli altri stadi.
Prestazioni richieste allo stadio di uscita:
➢ potenza da erogare al carico e non ampiezza del segnale di uscita (spesso conta di più
massimizzare il trasferimento di potenza che realizzare un generatore ideale);
➢ distorsione armonica totale (THD), cioè il rapporto (espresso in %) fra il valore
efficace delle componenti armoniche e quello della fondamentale nel segnale di
uscita in risposta ad un segnale sinusoidale in ingresso.
➢ efficienza di conversione di potenza.
➢ protezioni contro i guasti derivanti da condizioni di carico improprie e accidentali (ad
esempio cortocircuito e circuito aperto).
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Efficienza di conversione di potenza
Si definisce il rapporto (η) fra la potenza media erogata al carico (PL) e quella assorbita
PL
dalla alimentazione (PS): η=
.
PS
(
)
2
2
V L/ √2
1 VL
Per un segnale sinusoidale di ampiezza VL si ha P L =
=
RL
2 RL
Per una tensione di alimentazione VDC si ha P S =V DC I se con I si indica la corrente
media negli alimentatori.
La potenza dissipata nel circuito sotto forma di calore (PD) è la differenza P D= P S P L
PD
=1η
ovvero
PS
Per migliorare il rendimento di un amplificatore è necessario ridurre la potenza media
dissipata ovvero l'angolo di conduzione (ϑC), cioè la percentuale di periodo di un segnale
sinusoidale in cui la corrente del transistore è diversa da zero.
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2
Classificazione degli stadi finali
Sulla base dell'angolo di conduzione ϑC:
➢ Un amplificatore si dice in classe A se
l'angolo di conduzione è θC =2 π come
in tutti gli stadi amplificatori finora
esaminati.
➢ Un amplificatore si dice in classe B
se l'angolo di conduzione è θC =π come
nello stadio push-pull.
➢ Un amplificatore si dice in classe AB
se l'angolo di conduzione è π<θC ≤2 π
ma in generale prossimo a 180°.
➢ Per θC <π la corrente può
considerarsi una forma d'onda impulsiva
ed a seconda del metodo utilizzato per
codificare il segnale si hanno le classi C,
D, E etc.
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Stadio di uscita in classe A: inseguitore di source
È la normale configurazione CS, generalmente con un
generatore di corrente per la polarizzazione.
A vuoto la trans-caratteristica è caratterizzata da
2ISS
v O=v I V GS =v I V TN (
) essendo I D = I SS e quinKN
di VGS una costante è una
retta a pendenza unitaria.
√
I limiti per vI e vO derivano dal funzionamento
in saturazione sia di M1 che del generatore di
corrente costante.
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Stadio di uscita in classe A: inseguitore di source
In presenza del carico
RL la corrente nel transistore varia con vI:
vo
i S = I SS +
RL
e si annulla per
v O=v MIN =I SS R L
Rendimento dello stadio: Assumendo un segnale di uscita sinusoidale di ampiezza VO, la
2
potenza erogata al carico è P L =V O / 2R L mentre quella assorbita dall'alimentazione è
1 T V O sin (ω t)
P S = I SS (V DD +V SS )+ ∫
V DD dt=I SS (V DD +V SS ) poiché il valore medio
T0
RL
della corrente sinusoidale vale 0; assumendo V DD =V SS , il rendimento vale
2
2
V O /2R L
V DD
1
1
. Il massimo si ha per v O=V DD e vale η=
= cioè il 25%.
η=
2R L 2I SS V DD 4
2I SS V DD
(
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)
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Stadio di uscita in classe B: stadio push-pull
È costituito da due inseguitori di tensione realizzati
con transistori complementari polarizzati a I D =0 .
Rendimento dello stadio: Per un segnale di uscita sinusoidale di ampiezza VO, la potenza
2
erogata al carico è P L =V O / 2R L mentre la potenza media assorbita da ciascuno degli
T /2
VO
V DD V O
1
2π
alimentatori vale P S = ∫ V DD
. Il rendimento è quindi
sin (
t ) dt=
T 0
RL
T
π RL
2
(
)
V O /2R L
V
dato da η=
= π O e per V O =V DD è massimo e vale π / 4 cioè 78,5%.
2V DD V O /π R L 4 V DD
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Stadio di uscita in classe B: stadio push-pull
Le equazioni di progetto
Per dimensionare lo stadio
bisogna definire oltre la
potenza che l'alimentazione
deve fornire anche quella che i
transistori devono essere in
grado di dissipare.
La potenza media dissipata in
ciascun transistore varia con
VO secondo la relazione:
2
P P L V DD V O V O
P D= S
=
2
π RL
4R L
Il massimo si ha per V O =2V DD / π cui corrisponde un rendimento del 50% ed una
2
V DD
potenza dissipata su ciascun transistore P Dmax = 2
π RL
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Distorsione da cross-over
In realtà la trans-caratteristica
dello stadio con MOS ad
arricchimento non è una retta
perché per V TP ≤V GS ≤V TN
entrambi i transistori sono
interdetti (zona di cross-over).
Il segnale di uscita risulta
quindi distorto.
La distorsione può essere
accettabile se VO è molto
maggiore della zona di crossover o può essere ridotta con una
opportuna reazione negativa.
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Stadio push-pull con controreazione
un esempio
+VDD
vI
+
Q1
vO
-
Q2
RL
-VSS
L'effetto della controreazione è quello di ridurre la zona di cross-over praticamente del
guadagno ad anello aperto dell'amplificatore (in questo caso un operazionale); nella
regione di cross-over infatti il guadagno dello stadio finale è nullo e l'anello di reazione
risulta aperto.
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Stadio di uscita in classe AB
Principio di funzionamento
La distorsione di cross-over può essere eliminata
polarizzando i due inseguitori di tensione al limite
della regione di interdizione cioè con una corrente
di drain a riposo piccola rispetto alla corrente
massima sul carico.
Uno schema circuitale di principio.
La trans-caratteristica non
presenta più la regione di
attraversamento ed è una retta a
pendenza circa unitaria passante
per l'origine.
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Stadio di uscita in classe AB
Ipotesi: i transistori sono uguali cioè K P = K N e
V TN =V TP .
Per v I =0 allora:
le ID sono uguali essendo V GS1 =V GS2 =V G G /2
2
K N V GG
V TN
e pari a I D =
2
2
e quindi la corrente sul carico è nulla e nulla è la
tensione di uscita.
(
)
Per v I >0 allora V GS1>V G G /2 e i D1> I D ,
contemporaneamente V GS2 >V G G /2 e i D2< I D e quindi i L =i D1i D2>0 e vO cresce.
La corrente in M2 si annulla per V GS2 ≥V TP e quindi i L =i D1 come nel normale
inseguitore di tensione in classe A.
Analogo ragionamento per v I <0 .
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Stadio di uscita in classe AB
Circuito di polarizzazione con resistenza e generatore di corrente
Il circuito funziona come quello di principio perché
le correnti di gate sono nulle ma la transcaratteristica non passa per l'origine ma per
v I =V G G / 2 .
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Stadio di uscita in classe AB
Circuito di polarizzazione con diodi e generatore di corrente
I transistori Q1 e Q2 sono connessi a diodo e
quindi generano una tensione
V GG
2I BIAS
=V TN +
.
2
KN
√
Il circuito può anche essere letto come due
specchi di corrente.
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Esempio di amplificatore operazionale elementare
non sono esplicitati i circuiti che realizzano i generatori di corrente di polarizzazione.
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Stadio finale: protezione da cortocircuito
Quando il transistore M2 entra in conduzione, sottrae
corrente alla resistenza RG deviandola sul carico e
impedendo l'incremento di VGS1.
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