LE CLASSI DEGLI AMPLIFICATORI

di IZ8NGX

In questo periodo mi sto occupando delle classi degli amplificatori. Dopo svariate ricerche per i miei studi ho notato che spesso se ne sente parlare senza avere idea di cosa siano. Spesso, grazie ad internet, si leggono strafalcioni, sui quali bene fare un po' di chiarezza, in modo che l'utente non sia ingannato da parametri non chiari e sopratutto da giudizi volutamente depistanti, grazie all'intervento di marketing di molte case costruttrici( ergo volontaria disinformazione). La spiegazione che seguir fatta di proposito all'acqua di rose, per facilitare la comprensione a chi, di elettronica, non ha dimestichezza ma desidera comunque avere un'idea di quello che si sta dicendo. Gli amplificatori hanno un'unica funzione teorica: amplificare un segnale posto al loro ingresso. L'amplificazione consiste nell'incremento di un parametro del segnale: l'ampiezza. Volendo, si pu parlare anche di amplificazioni negative, qualora vi fosse un'attenuazione. Ma si userebbero attenuatori ( appunto ) magari attivi. Ma questo esula dallo scopo di questo articolo, che vuole amplificazioni solo positive ( o unitarie, nel caso di buffer o separatori). Un amplificatore ideale, quindi, moltiplica il segnale di ingresso per un determinato fattore ( Guadagno ) in modo da riproporlo in uscita amplificato. In pratica tutto questo accade, ma l'amplificatore introduce qualche lievissima distorsione cos lieve, che possiamo trascurarla e pensare un amplificatore come fosse ideale. Ma come fa un amplificatore ad amplificare ? Il principio equivalente a quello di una leva ( in meccanica ), ove si applica la

forza in un punto di essa, la forza moltiplicata per il braccio della leva ( distanza dal punto di applicazione della forza dal fulcro ), e dall'altra parte, sul braccio pi corto, si ha una forza maggiore, talmente grande, da poter sollevare un peso ben maggiore di quello che la forza applicata alla leva, potrebbe sollevare se applicata invece direttamente alla massa da sollevare senza la leva stessa. La leva quindi un amplificatore. " Datemi una leva che vi sollever il mondo !! In elettronica, per i segnali, si usa un circuito. Questo circuito prende la tensione/corrente di alimentazione posta ai suoi capi, e la fa variare su un carico ( altoparlante, per esempio ), in base alla tensione/corrente del segnale debole, applicata al suo ingresso. Qui si nota che la tensione di alimentazione, non pu e non deve essere considerata una cosa secondaria e non importante bens l'opposto. Per realizzare questa "leva elettronica", necessario un circuito. Sia esso composto da valvole o transistor ( BJT/FET ), l'architettura con cui si applica questo principio, varia in funzione:

Rendimento da ottenere Destinazione d'uso

Il rendimento la percentuale di energia fornita dallo stadio finale, che l'amplificatore riesce a tradurre in segnale utile. Per cui un amplificatore con un rendimento dell'80% sicuramente pi valido di un amplificatore con rendimento del 10%. Meno rendimento ha, maggiore la corrente che paghiamo all'ENEL e che non viene sfruttata per il segnale audio, ma viene buttata via in dissipazione di calore. Pi rendimento ha il nostro amplificatore, meno corrente buttata si ha. Vediamo ora le

caratteristiche delle varie classi di costruzione degli amplificatori.

CLASSE A

L'amplificatore pi semplice da costruire in classe A. Il segnale di uscita la replica perfetta di quello in ingresso. Ma i dispositivi ( valvole o transistor ) sono polarizzati in modo tale, che essi conducono sempre anche in assenza di segnale in ingresso. Conduzione = Consumo = dissipazione di calore = pagamento dell'ENEL. Il rendimento di un classe A infatti teoricamente attorno al 20-25%. In pratica scende ben al di sotto di questo valore per via delle tolleranze. Quando richiesta molta potenza, da questo amplificatore, la dissipazione diventa importante. Deve quindi essere raffreddato a dovere, con dissipatori e ventilatori. Non ha, come detto, difficolt a riprodurre fedelmente un segnale, proprio per la sua semplicit di realizzazione. Ma altamente antieconomico energeticamente parlando. La maggior parte dei circuiti preamplificatori, proprio per via della semplicit richiesta, tutta in classe A, in quanto non richiedendo potenza da fornire, non significativo il consumo di corrente ( che in molti casi ridotto a pochissimi milliampre se non a microampre in sistemi a basso rumore ). Ma negli amplificatori di potenza, questo dato significativo.

Fig. 1 Amplificatore in classe A. Fig. 2 Amplificatore in classe A con accoppiamento capacitivo.

Lamplificatore in classe A di Fig.1 presenta lo svantaggio che il carico RC percorso sia dalla componente di segnale, variabile nel tempo, sia dalla componente continua, di polarizzazione, della corrente di collettore del transistor. Spesso per richiesto che la resistenza di carico dellamplificatore sia attraversata dalla sola componente di segnale e non dalla componente continua di corrente. Un caso tipico quello di un altoparlante dove la presenza di una componente continua di corrente provoca lo spostamento del cono dellaltoparlante dalla sua posizione di riposo, limitandone lescursione utile e potendone provocare addirittura la saturazione o la rottura per eccessiva dissipazione. Un metodo per eliminare la polarizzazione in continua dalla resistenza di carico dellamplificatore quello di utilizzare un accoppiamento a condensatore, come si fa negli accoppiamenti interstadio, come rappresentato in Fig.2. Solitamente il condensatore utilizzato per ottenere laccoppiamento in

alternata di tipo elettrolitico in quanto, per ottenere una opportuna estensione della banda di frequenze del segnale fino a bassi valori, risulta di capacit elevata. Inoltre, la polarizzazione ne facilita lutilizzo, essendo questi componenti di tipo polarizzato.

CLASSE B Onde evitare i problemi della classe A, stata ideata la classe B. In pratica la differenza sta nel circuito dei finali. Si usa una configurazione che pu essere in push-pull oppure a simmetria complementare. Sono solo configurazioni circuitali. Niente a che vedere con il segnale in se. Nella classe B, uno dei finali amplifica una semionda del segnale applicato al suo ingresso, e l'altro finale, amplifica l'altra semionda. Questa configurazione ha un rendimento molto pi elevato di un amplificatore in classe A. Si infatti nell'ordine del 75-80%. Il che vuol dire che il 75-80% della bolletta che si paga all'ENEL, usando questo amplificatore, convertito in energia audio. Il resto dissipato sotto forma di calore. Mentre, come abbiamo visto, nel classe A, ad essere ottimisti, il rendimento solo del 20-25% , il classe B appare ottimale, ma ha un difetto: Se vi sono variazioni nelle correnti di polarizzazione dei finali, dovute a:

Tolleranze dei componenti Cattiva progettazione

si verifica una distorsione molto particolare ( molto ricca di odiose armoniche dispari ): la distorsione di crossover. Di che si tratta ? Semplice: come abbiamo visto un finale amplifica la semionda positive e laltro quella negativa.

Se la polarizzazione dei finali per qualsiasi motivo si altera, quando si passa dalla semionda positiva a quella negativa, pu esserci un momento in cui nessuno dei due finali in conduzione. In pratica l'onda risulta interrotta, spezzata, e non continua come quella in ingresso. Questa la distorsione di Crossover ( vedesi figura 1). veramente fastidiosa a sentirsi ed altro che "zanzarosa" ... falso dire che tutti gli ampli di classe B hanno questa distorsione ! Se l'amplificatore progettato bene, con componenti di qualit, questa distorsione non esiste. Ma se anche un ottimo amplificatore in classe B viene fatto ad esempio surriscaldare perch non ventilato correttamente, i componenti possono uscire dalle tolleranze di progetto e quindi questa distorsione si genera subito e rimane fin tanto che l'amplificatore non torna a lavorare come dovrebbe.

Lo schema semplificato di un amplificatore in classe B mostrato nella figura sottostante. Si tratta di una classica configurazione push-pull a simmetria complementare, nella quale i due componenti attivi (transistor) conducono alternativamente, TI durante la semionda positiva di Vi, T2 durante quella negativa, permettendo la ricostruzione del segnale sul carico RL.

Figura 1 - Distorsione di cross-over

Amplificatore in classe B pushpull a simmetria complementare

Si noti come, rispetto ad entrambi i transistor, la connessione dell'amplificatore sia ad inseguitore di tensione (emitter follower). Dal momento che il guadagno di tensione per questo tipo di configurazione approssimativamente unitario, l'ampiezza del segnale sul carico pu considerarsi uguale a quella del segnale di ingresso. La configurazione ad alimentazione duale pi idonea se richiesta un'ampia escursione del segnale di uscita, mentre successivamente possiamo vedere il circuito con singola alimentazione in cui l'ampiezza massima del segnale , pari a Vcc/2, perch tale approssimativamente l'escursione ammessa per la VcE di ciascun transistor. Il BJT interdetto a sua volta sottoposto ad una tensione massima, tra collettore ed emettitore, uguale a Vcc

Amplificatore in classe B con singola alimentazione. CLASSE AB Per ovviare all'inconveniente della distorsione di crossover cui la classe B pu essere affetta, si creata la classe AB che unisce i vantaggi della classe A per quanto riguarda la fedelt di riproduzione, ed il rendimento della classe B. In pratica il finale interessato all'amplificazione di una semionda, polarizzato in modo tale che la sua conduzione permane per un certo periodo anche per la semionda successiva, lavorando contemporaneamente all'altro finale, che sta elaborando l'altra semionda. Questo modo di lavorare toglie l'inconveniente della distorsione di crossover definitivamente. Dalla classe AB, sono derivate poi le classi AB1 ed AB2, la cui differenza esclusivamente sul modo di polarizzare i due finali per ottenere lo stesso effetto. In pratica si tratta di piccole migliorie nel modo di polarizzare i finali, che non influiscono sul segnale in modo assoluto. Ne

compensano in parte la piccola perdita di efficienza dell'AB pura, dovuta alla conduzione prolungata di uno dei finali durante la semionda in cui l'altro finale deve lavorare. Ma il rendimento complessivo di AB1 e 2 di poco inferiore ad AB standard. CLASSE C Il funzionamento in classe C non lineare. Un segnale applicato all'ingresso di un amplificatore in classe C viene enormemente amplificato indipendentemente dalla distorsione raggiunta in questa fase. Anzi: enormemente distorto. Il segnale di uscita molto distorto, pressoch inutilizzabile in audio. Questo amplificatore ha una resa del 90% ed usato in radio frequenza, per amplificare segnali che vanno poi trasmessi da un'antenna.

Un amplificatore in classe C un amplificatore in cui il transistor conduce per meno della met della semionda; questo significa che la base deve risultare, in condizioni di riposo, polarizzata inversamente. CLASSE D o CLASSE S (sono equivalenti) Questo amplificatore molto semplice circuitalmente parlando, offre grande potenza in uscita per una contenuta dissipazione di calore, ed ha un rendimento prossimo al 98%. Il circuito in classe D totalmente differente dallo schema in classe B ed AB. Il segnale di ingresso, va a modulare la larghezza degli impulsi ad onda quadra di un generatore. La frequenza di questi impulsi ad onda quadra, tipicamente 10-20 volte la massima frequenza applicata in ingresso.Un filtro passivo posto in uscita, riconverte questi impulsi nel segnale che interessa applicato all'altoparlante. Ha inoltre il vantaggio di poter essere controllato sia da circuiti analogici in ingresso, che digitali. Insomma altamente versatile, leggero, rende tanto, e consuma il giusto. Il 98% della corrente che paghiamo all'ENEL usata per avere l'audio sul nostro altoparlante. In passato per questo tipo di amplificatore aveva un valore di distorsione piuttosto elevato rispetto alle classi A, B, ed AB ( 1 e 2 ) pertanto non ha fatto presa sul pubblico normale n tanto meno quello esoterico. L'evolversi della tecnologia e della tecnica, ha permesso costruzioni notevoli di questi amplificatori, come ad esempio la Bang & Olufsen, che ha realizzato il sistema ICEPower, che in classe D, ed montato nella gamma PDX dell'Alpine, in qualche sistema diversi sistemi della Pioneer come la serie PRS ed altre. Oggi largamente usato per esempio nei sistemi mobili ( autoradio ), ed anche in qualche sistema Hi-Fi. L'aspetto negativo della calsse D il fattore di smorzamento quando viene

usato per pilotare dei subwoofers. Questo fattore che tanto migliore quanto pi alto, nei sistemi in classe D, non risulta cos elevato per la presenza del filtro passa basso in uscita. Una parte negativa tutto sommato estremamente accettabile se si pensa che, normalmente, i soobwoofers sono spesso usati in automobili laddove cio, a fedelt di riproduzione pu subire degradi in percentuale pi elevata che non in sistemi casalinghi.

Per un amplificatore in banda audio normale, il classe D quello che considero un sistema davvero interessante, specie nell'uso della sua variante, la classe T.

CLASSE T In essa la frequenza degli impulsi ad onda quadra, variabile in funzione della potenza richiesta in uscita. Questo ne migliora, rispetto alla classe D, notevolmente la fedelt in tutto lo spettro audio. CLASSE E/F un amplificatore switching ad alta efficienza per impieghi in radio frequenza. Un transistor viene fatto funzionare come interruttore con un'induttanza all'alimentazione ed una rete RLC verso il carico. Un condensatore evita che la RF vada sull'alimentazione. Ha un'efficienza maggiore dell'amplificatore in classe C per cui dissipa di meno. Il contenuto armonico pari a quello di un classe B alla frequenza di lavoro, per cui facilmente filtrabile la generazione di armoniche superiori e spurie. Le differenze tra classe E e classe F sono minimali e grosso modo consistono per lo pi nel modo in cui il transistor commutatore lavora con la rete RLC

Amplificatore in classe E (sopra) e classe F( sotto)

CLASSE G La classe G una variante della classe AB. Nella classe G, quando il segnale amplificato vicino al clipping (taglio della forma donda), la tensione di alimentazione dei finali aumentata in modo da allontanare il clipping ed incrementare l'headroom (il range di potenza prodotto dallo stadio finale) dinamica. La commutazione avviene tra due livelli di tensione di alimentazione dei finali. Nel funzionamento normale, la tensione rimane ad un valore costante. Quando si raggiunge una certa tensione di soglia, da parte del segnale amplificato, questa tensione viene commutata ad un secondo valore che pi alto del primo. In questo modo il clipping si allontana a tutto guadagno della dinamica. Il rendimento teorico di un amplificatore in classe G dell'85.9%. Il che significa che l'85.9% di quello che si paga all'ENEL per ascoltare la musica, viene effettivamente convertito in musica ... il resto viene disperso in calore. CLASSE H La classe H una variante della classe G. In pratica nella classe H la tensione di alimentazione sui finali rimane costante sino ad un valore di soglia determinato dal segnale amplificato. Sin qui come la classe G. Ma non appena il segnale supera questo valore di soglia, invece di commutare la tensione di alimentazione dei finali ad un secondo valore fisso come nella classe G, il sistema in classe H fa incrementare poco alla volta la tensione di alimentazione dei finali, seguendo quella del segnale amplificato. Proprio per questo minore spreco di energia, il rendimento di un amplificatore in classe H maggiore di quello di un classe G ma minore del 100% La figura sottostante mostra le differenze tra un amplificatore in classe G ed uno in classe H:

CLASSE Z La classe Z un amplificatore con rete di controreazione digitale. Il sistema brevettato ed proprietario della Zetex Company. Un processore inserito nella catena di retroazione ( detto anche DDFA: Direct Digital Feedback Amplifier ) unisce i pregi della Classe D con i pregi della classe A, offrendo un sistema con una distorsione armonica ( THD+N ) pari allo 0.004% ed un range dinamico di 120dB ! Quindi molto meglio anche della classe T. FATTORE DI SMORZAMENTO: un valore adimensionale che pi alto migliore l'amplificatore. dato dal rapporto: impedenza altoparlante/impedenza interna dell'amplificatore Tutti gli amplificatori a stato solido ( transistor, FET, IGBT ) hanno un fattore di smorzamento assai pi elevato che non quello degli amplificatori valvolari. Questo dato uno dei costituenti del tallone di Achille dei valvolari ( insieme ad efficienza e distorsione nonch estrema sensibilit al tipo di trasformatore di uscita. Quest'ultimo in alcuni schemi stato tolto e le valvole si accoppiano direttamente al carico. Tradotto in termini pratici, lo smorzamento la capacit di un amplificatore a contrastare i

movimenti residui della membrana dell'altoparlante ( in termini pi tecnici: dell'equipaggio mobile del trasduttore ), quando il segnale applicato in ingresso dell'amplificatore cessa. Questo movimento pi consistente alle frequenze per cui il sistema dell'altoparlante entra in risonanza.In parole molto povere, se mettiamo un segnale in ingresso e poi questo segnale finisce, a causa di inerzia, la membrana dell'altoparlante tende a continuare e vibrare per un po', generando un segnale "falso", un segnale che non esiste. La capacit di un amplificatore si smorzare questi movimenti parassiti appunto detta: fattore di smorzamento ( Damping Factor ) e non identico a tutte le frequenze, appunto perch il sistema del diffusore, cambia la propria risposta in funzione della frequenza.