LA CLASSE B E LA CLASSE AB (PUSH PULL)

L’inseguitore di Emettitore

Prendiamo adesso ad esame un piccolo circuito amplificativo, leggermente diverso da quello esaminato nel capitolo precedente, detto ad inseguitore di emettitore a collettore comune. Nel nuovo circuito si nota, allora, come il collettore viene collegato direttamente alla linea di alimentazione: dunque per quanto riguarda i segnali variabili al potenziale di massa. Perché? Perché le uscite degli alimentatori sono sempre progettate per offrire una bassissima impedenza. La resistenza di carico R2 è posta sul circuito di emettitore, mentre il segnale di ingresso, Vin, è introdotto tra base e massa.


La prima cosa da verificare, nella progettazione di un circuito ad emettitore comune, è che il segnale di uscita, Vout, possa oscillare nella semionda positiva, quindi verso la tensione di alimentazione, che verso quella negativa, cioè verso massa. Al fine di sfruttare al massima tale possibilità di oscillazione occorre calcolare il punto di lavoro a metà strada tra massa e alimentazione: Vcc/2. Nel nostro caso specifico a 4,5V. posto allora il valore di R2= 4,7kohm avremo una corrente a riposo di 1mA. In generale diciamo che più elevato è il valore della corrente a riposo, più avremo un segnale in uscita lineare in presenza di un elevato segnale di ingresso. Quello che in realtà desideriamo da un buon amplificatore in Classe A è la linearità del segnale di uscita. Per ottenere tale linearità, in presenza di elevati segnali di ingresso occorre, però, avere un elevato livello della corrente a riposo, il che limita le capacità amplificative dei dispositivi utilizzati.

La resistenza di base, R1, fornisce alla giunzione base-emettitore la corrente necessaria a mantenere la corrente di emettitore richiesta. Ipotizzando un Hfe=200 e una Ie (corrente di emettitore) di 1mA occorrerà avere una Ib=1/200 = 5uA. Se la tensione che arriva in base è di 4,5 V per la legge di Ohm (I=V/R) avremo:

Rb= 4,5/5uA = 900Kohm


Abbiamo, così, polarizzato il Bjt sulla base del valore della corrente nel punto di lavoro, notando che se l’Hfe (ossia il guadagno del Bjt) non è poi così preciso ci possono essere degli spostamenti nella tensione a riposo, ma di come, però, il Bjt, così polarizzato non andrà incontro a fenomeni di interdizione continuando comunque a lavorare anche se con oscillazioni più contenute.

C’è una sostanziale differenza tra un circuito ad emettitore comune e un circuito ad inseguitore di emettitore: nell’amplificatore ad emettitore comune, ingresso ed uscita sono separati dalla polarizzazione inversa della giunzione collettore-base, mentre nella configurazione ad inseguitore di emettitore ingresso ed uscita sono collegati dalla polarizzazione diretta base-emettitore. Il risultato immediatamente apprezzabile di uno schema ad inseguitore di emettitore è quello di avere una bassa impedenza di uscita con un massimo trasferimento di tensione allo stadio successivo. Un più attento sguardo alla figura sopra riportata chiarirà il concetto………

L’impedenza di ingresso Rin = R2(hfe+1) o in parole è data dal prodotto della resistenza di carico sull’emettitore e dal guadagno di corrente del Bjt. Per quanto riguarda l’impedenza di uscita essa è data dal rapporto fra Rs/hfe dove Rs è la resistenza del generatore di corrente del circuito.

Se Rs = 0 ossia se il generatore che alimenta il circuito ha una resistenza trascurabile, anche se non nulla, l’impedenza di uscita risulterà pari alla resistenza effettiva della giunzione base-emettitore.

Una bassa impedenza di uscita non implica, però, la capacità di fornire corrente elevata ad un carico di bassa impedenza. Ad esempio sebbene il circuito riportato sopra può avere un’impedenza di uscita inferiore ai 50ohm, non è pensabile alimentare con esso un carico di tale valore aspettandosi di osservare un’oscillazione significativa di tensione.

Un’oscillazione di ampiezza 1V dà luogo, su un carico ipotetico di 50 ohm, ad una corrente di 20mA (1/50), ma essendo la corrente di riposo di 1mA, la massima oscillazione sul carico risulterà essere compresa tra 1 mA e 2 mA.

Per ottenere un amplificatore di potenza è, invece, necessario ottenere un’ampia oscillazione di tensione per carichi che presentano una bassa impedenza, i diffusori che hanno impedenze comprese tra i 2 e gli 8 ohm. Come già ribadito per ottenere un’elevata oscillazione dei valori di uscita occorre aumentare la corrente di riposo, ma un tale uso risulta dispendioso e l’uso di un singolo stadio ad inseguitore di emettitore non rappresenta la tecnica più efficiente per fornire potenza ad un carico.

Una di tali tecniche prevede di utilizzare in uno stesso circuito due transistor Bjt complementari (pnp e npn). Le semionde positive vengono amplificate dal Bjt pnp e quelle negative dal npn. In poche parole si realizza uno schema del tipo:


Un simile circuito è detto operante in Classe B o Push Pull perché il secondo Bjt, quello npn, spinge le semionde negative da sotto consegnando al Bjt pnp quelle positive da tirare. Ciascun Bjt tratta il segnale ad una sola polarità e pertanto la corrente di riposo può essere nulla.

In altre parole un dispositivo lavora in Classe B quando il punto di lavoro è scelto in modo da avere la conduzione solo per metà del periodo del segnale di ingresso. Nella Classe A, invece, abbiamo visto come il Bjt è in conduzione durante tutto il periodo del segnale di ingresso.


Nota esplicativa: lo schema sopra mostrato è elementare, non prevede l’inserimento dei Condensatori di ingresso e delle Resistenze di Carico. Esso serve esclusivamente per far capire il concetto base di Classe B.


Esiste anche una terza Classe di funzionamento definita Classe C. In quest’ultimo caso il transistore viene impiegato in modo da avere conduzione per meno della metà del periodo del segnale di ingresso. La Classe C è molto utilizzata negli apparati radio dove occorre un’alta efficienza tra potenza che arriva dall’alimentazione e potenza che giunge in uscita. In un amplificatore in Classe A, al massimo, arriva in uscita il 50% della potenza fornita in continua dall’alimentatore. Ecco giustificato il motivo della relativa bassa potenza degli amplificatori in Classe A. Gli amplificatori in Classe B possono raggiungere efficienze del 78%, mentre quelli in Classe C anche vicini al 100%.

I più attenti avranno già capito perché, gli altri sono rimandati al leggere le prime righe di questo Capitolo, ma se qualcosa dovesse pur tuttavia risultare ancora oscuro, allora sarebbe opportuno rileggere tutto il Capitolo precedente.

Assimilato il concetto base, aggiungiamo adesso qualcosa per rendere il tutto più realistico. Lo schema appena illustrato necessita di una adeguata polarizzazione delle giunzioni base emettitore al fine di amplificare anche i segnali più piccoli. L’obiettivo finale è far sì che anche in assenza di segnale di ingresso ci sia sul Bjt una piccola corrente di collettore.

Per piccoli segnali di ingresso, allora, il circuito funzionerà in Classe A, con entrambi i Bjt in conduzione, mente per segnali maggiori ognuno dei due Bjt tratterà solo una semionda del segnale. Tale funzionamento, come avrete sicuramente già intuito, è una via di mezzo tra Classe A e Classe B ed è detto Classe AB.

L’obiettivo si realizza di solito ponendo due diodi, polarizzati direttamente, fra le basi dei Bjt in modo da separarle e in modo da far sì che le basi conducano anche in assenza di segnale di ingresso. Negli amplificatori in Classe AB, le condizioni di riposo sono molto critiche e dipendono dalla differenza di potenziale applicata sulla giunzione base-emettitore.

Una piccola variazione della VBE, anche dovuta ad una variazione di temperatura, può produrre una variazione elevata nella corrente di collettore a riposo. I diodi (se a contatto con lo stesso dissipatore dei transistor finali) compensano le variazioni di temperatura. Se la temperatura aumenta, diminuisce la VBE ed anche la d.d.p. diminuirà mantenendo costante la corrente di base e la relativa corrente di collettore.

La corrente di riposo del collettore dovrebbe essere compresa tra i 5mA ed 10mA.

Successiva evoluzione sarebbe inserire al posto dei diodi un Bjt che realizzi una regolazione “manuale” della corrente inviata alle basi dei due stadi finali. La tensione di riposo viene in pratica fornita da un Bjt che è in realtà un piccolo amplificatore di tensione con la sua propria VBE d’ingresso e con un proprio anello di retroazione negativa realizzato con un partitore di tensione r1 e r2:


Primo schema con la presenza dei diodi per la polarizzazione della basi dei due Bjt


Secondo schema con il Bjt come regolatore della corrente di riposo. In realtà c’è una piccolissima differenza: la base del Bjt X è collegata ad una resistenza variabile da 1 K (quello che comunemente si definisce potenziometro, indicato in figura con la lettera P) in modo da poter regolare come si diceva “manualmente” la corrente di riposo.


Un problema che si riscontrerebbe in un circuito così realizzato sarebbe sicuramente quello della bassissima potenza di uscita. Come si risolve allora tale problema?

Semplicemente utilizzando due Bjt in connessione Darlington come riportato nella figura sotto:



Funzione di R7 e di R2 è quella di migliorare la risposta di frequenza facendo passare i portatori di carica che altrimenti enterebbero in base durante la condizione “off”. La presenza di R7 e R2 apre una strada a tali portatori che evitano di entrare in base ed essere trattati dai due Bjt. R1 e R6, invece, rappresentano i partitori di tensione tra le due basi dei Bjt (nulla di nuovo).

Qualcuno dei miei pochi, ma attenti lettori starà già preparando una mail per chiedere che razza di connessione Darlington ho riportato nella figura sopra. Un passo indietro……………


La connessione Darlington


La connessione Darlington di due Bjt fa sì che la corrente di emettitore di un primo Bjt rappresenti la corrente di base per un secondo Bjt al fine di realizzare un guadagno di corrente doppia rispetto ai due guadagni individuali. E’ possibile impegnare anche più di due Bjt in connessione Darlington, ma non all’infinito perché si innesta un fenomeno di “diminuzione a catena” del guadagno complessivo. E’ ovvio che l’impedenza d’ingresso dipende dal carico in uscita e dunque può risultare anche molto elevata.


Oltre alla configurazione Darlington Classica ne esiste un’altra: quella Complementare, nella quale la differenza di potenziale richiesta per la polarizzazione è data da una tensione di 2 VBE contro i 4 VBE richiesti nella configurazione Classica ottenendo, così, una maggiore stabilità termica. Adesso un nuovo sguardo alla Configurazione Complementare la renderà certamente più chiara e magari anche scontata.


Lasciandovi alle opportune meditazioni sugli argomenti trattati Vi saluto e Vi ringrazio sentitamente perché continuate a seguire laTeoria Audiophileanche in questa parte più tecnica e più impegnativa.

Roberto De Laurentiis - email: Klf20@virgilio.it

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