Etapa de salida clase AB (Push-Pull)

Etapa de salida clase AB (Push-Pull)

abril 8, 2022 0 Por Guillermo Huerta

En los Amplificadores Operacionales la Etapa de salida clase AB es también conocida como (Push-Pull). Esta distorsión de cruce característica de la etapa de salida clase B; lo anterior puede ser eliminada añadiendo algún circuito que polarice a los transistores de salida con unas corrientes de polarización bajas; estas son suficientes para que su punto de trabajo esté en la región lineal (próxima a la región de corte). Las figuras 7.6.a y 7.6.b presentan las configuraciones más utilizadas para polarizar los transistores de salida: con diodos y con un multiplicador VBE.

Polarización con Diodos

La figura 7.6.a muestra la polarización basada en dos diodos. En ausencia de señal, v=0, la caída de tensión en diodo D1 hace que el transistor Q1 esté en la región lineal con una corriente de colector baja y lo mismo sucede a Q2 con el diodo D2; es decir, ambos transistores conducen.

Cuando se aplica i una tensión a la entrada uno de los transistores estará en la región lineal y el otro cortado; este funcionando de una manera similar a la etapa clase B anterior pero con la ausencia de distorsión de cruce. En este caso la potencia promedio suministrada por una fuente de alimentación, utilizando la ecuación 7.16, es

En general, el segundo término es despreciable frente al primero y el valor de la eficiencia indicada en las
ecuaciones 7.18 y 7.19 siguen siendo válidas.

La polarización con diodos presenta una importante ventaja al proporcionar estabilización de la polarización con la temperatura.

Además al aumentar la temperatura, la VBE de los transistores disminuye pero a su vez la caída de tensión de los diodos también lo que permite mantener constante la corriente de polarización de los transistores de salida.

Polarización con un multiplicador VBE

Otro procedimiento para obtener la diferencia de tensión 2V entre la base de los transistores necesaria para eliminar la distorsión de cruce es utilizar lo que se denomina un multiplicador de VBE mostrado en la figura 7.6.b. Este circuito consiste en un transistor (Q3) con dos resistencias (R1 y R2) conectadas entre su colector y emisor con la base. Si se desprecia la corriente de base (para ello R1 y R2 deben ser de unos pocos kΩ) entonces la corriente que circula por R1 es VBE3/R1 y la tensión entre el colector y emisor de ese transistor es:

es decir, la tensión VCE3 se obtiene multiplicando VBE3 por un factor (1+R1/R2).

Etapa de salida de un amplificador operacional

Como ejemplo práctico en la figura 7.7.a se muestra la estructura simplificada de la etapa de salida del amplificador operacional µA741 y su curva de transferencia en tensión. La tensión de entrada se aplica a la base de Q6 y la salida está formada por Q1 y Q2. Q3 polariza a Q4 y Q5 para eliminar la distorsión de cruce tal como se muestra en la VTC de la figura 7.7.b. Sin embargo, en ausencia de señal (v0=0) aparece una pequeña corriente (0.17mA) que circula por Q1 y Q2 al no estar totalmente en corte. (clase AB)

Ejemplos

El slew-rate tiene que ser muy alto para corregir la tensión mínima de base a emisor inmediatamente, sin distorsión audible. Los mosfet no son una buena opción para estas etapas, ya que la tensión que hay que superar para que estos transistores empiecen a conducir es aún mayor. También tienen una capacidad parásita importante y son más difíciles de controlar a alta frecuencia porque esta corriente sale de la etapa de ganancia en voltaje que carga con la etapa de salida, y 10mA no pueden producir cambios de tensión rápidos en las capacidades de entrada de los mosfet.

En la siguiente tabla podemos ver la distorsión armónica de las dos etapas sobre diferentes cargas, y con una salida de 11 voltios de pico.

Z load\etapaBJTMOSFET
8 Ohm0.026%0.110%
4 Ohm0.033%0.115%
2 Ohm0.065%0.120%

Se puede ver a simple vista una mayor inmunidad de los mosfet a cargas complicadas, aunque numéricamente su distorsión sea mayor. En la siguiente tabla podemos ver lo mismo a 10kHz.

Z load\etapaBJTMOSFET
8 Ohm0.169%4.466%
4 Ohm0.174%4.846%
2 Ohm0.182%5.085%

Las cifras son lógicamente mayores que a 1kHz, las distorsiones tienden a aumentar en agudos, y se puede ver claramente cual es el punto débil de la clase B: la alta frecuencia. El resultado de los mosfet es muy pobre.

Analizando en gráficos

Veamos porqué: En la gráfica de la derecha podemos ver la salida de la etapa con mosfet a 10kHz. Cada cruce por cero se produce un pico: es la transición entre la conducción del mosfet de canal N y la conducción del mosfet de canal P. La transición tiene una duración más o menos fija, cuantas más veces se produzca esta transición en un determinado intervalo, mayor será el porcentaje de tiempo en el que la etapa produce error.

Por esto a alta frecuencia este intervalo produce errores mayores.

En todas las mediciones el espectro de armónicos tiene a los impares como dominantes y casi no se reducen a medida que aumenta el orden. Es una distorsión muy nociva, no decrece con la frecuencia y alcanza órdenes muy altos.

En la siguiente tabla se puede ver el comportamiento frente a la amplitud de salida, a 4 Ohm y a 1kHz.

v load\etapaBJTMOSFET
21Vp0.079%0.082%
11Vp0.033%0.115%
5Vp0.043%0.215%
2Vp1.005%0.519%
1Vp2.006%1.033%
0,5Vp3.851%1.935%
0.2Vp1.021%4.652%
0.1Vp0.014%0.014%

A primera vista se puede ver algo claro: La distorsión aumenta a medida que decrece la amplitud. Esto es porque las componentes de distorsión son cada vez menores en relación al voltaje total.

El pico en el cruce por cero se puede ver que existe siempre aunque numéricamente sea menor en relación con la onda.

Explicación del BJT

En la etapa con BJT vemos que al dar 21 voltios de pico se produce una distorsión mayor que a 11Vp, mientras que la etapa con mosfet sigue una proogresión regular. Esto se debe a que la etapa con BJT sufre distorsión de grandes señales, por la imposibilidad de entregar más corriente.

Y a muy baja amplitud vemos que de pronto las cifras de distorsión se desploman y llegan a niveles realmente bajos. Lo anterior provoca un choque completamente con el párrafo anterior, pero en realidad tiene una explicación muy sencilla: La etapa tiene un cierto offset de voltaje (-0,16V) que le hace entregar una pequeña cantidad de corriente a la carga.

Esta pequeña corriente mantiene en un estado de conducción a los transistores de salida y evita literalmente la distorsión de cruce, se puede ver que cuando la tensión de pico es menor que la del offset la distorsión es muy baja.En la gráfica de la derecha se puede ver en detalle que la transición de P a N se produce exactamente cuando la salida cruza el cero.