O que são as classes de um amplificador?

O que é um amplificador classe A, B, A/B ou D?

É fato que os amplificadores de áudio, seja de fones de ouvido ou caixas de som, não são iguais e há diversas formas de classificá-los como, por exemplo, através da tecnologia utilizada (Solid State/SS ou valvulado) e de classes (A, B, AB, C e D). Neste artigo será esclarecido sobre o funcionamento das diferentes classes de amplificadores.

A forma como os estágios de saída dos amplificadores são configurados e operam irá nos dizer a qual classe eles pertencem. Segundo o livro "Design of Low-Voltage, Low-Power Operational Amplifier Cells", de Ron Hogervorst & Johan H. Huijsing, o estágio de saída tem, basicamente, a função de fornecer uma certa quantidade de potência de sinal a uma carga com níveis aceitavelmente baixos de distorção de sinal. Para se ter um bom amplificador, os principais focos são a linearidade, o ganho de sinal, a eficiência e a potência de saída. Na prática, o que as fabricantes fazem é desenvolver algo que possua um equilíbrio entre estas características.

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O que as classes de um amplificador representam?

De acordo com o site "electronics-tutorials", as classes de amplificadores são diferenciadas pela "quantidade do sinal de saída que varia dentro do circuito amplificador ao longo de um ciclo de operação quando é excitado por um sinal de entrada senoidal". O sinal de entrada é fornecido por um DAC (digital-to-analog-converter) que pré-amplifica o sinal e envia para o amplificador.

Dependendo da classe de um amplificador, ele pode ser desenvolvido com foco na linearidade (equipamentos que geral um sinal de alta fidelidade), mas também pode ser projetado sem a preocupação com a linearidade, com o objetivo de se conseguir uma eficiência maior. Entretanto, ao mesmo tempo, há amplificadores que ficam entre essas duas vertentes.

Os grupos de classes de amplificadores

As classes dos amplificadores são basicamente separadas em dois grupos:

Amplificadores de ângulo de condução (classes A, B, AB e C)
Amplificadores "switching" (classe D, E, F, G, S, T etc.)

Segundo o site "electronicdesign", os amplificadores classe A, B, AB e C são projetos baseados na proporção de cada ciclo de entrada (ângulo de condução) durante o qual um amplificador passa corrente. Se o circuito de amplificação estiver sempre ligado, seu ângulo de condução é de 360°, mas se for ligado apenas durante a metade de cada ciclo, o ângulo é de 180°. A partir daí você separa as classes, como verá mais adiante.

De acordo com o site "electronics-tutorials", os amplificadores classe D, E, F, G, S, T etc. pertencem ao grupo de amplificadores "switching". Este tipo de amplificador utiliza circuitos digitais e pulse width modulation (PWM ou modulação por largura de pulso) para alternar constantemente entre o estado "totalmente ligado" e "totalmente desligado".

As diferentes classes de amplificadores e suas diferenças

Confira abaixo quais são basicamente as diferenças entre os amplificadores de classe A, B, A/B e D.

Amplificador classe A

Um amplificador de classe A utiliza apenas um transistor de comutação de saída (Bipolar, FET, IGBT, etc.) em seu projeto. Este transistor de saída possui um ângulo de condução de 360°, ou seja, ele está sempre ligado.

Os amplificadores de classe "A" são considerados a melhor opção para aparelhos de alta fidelidade, pois possuem uma excelente linearidade, alto ganho e níveis baixos de distorção de sinal quando são devidamente projetados. Devido a perda contínua de potência, os amplificadores desta classe esquentam consideravelmente, tendo uma eficiência energética de 30% quando está em potência máxima.

Amplificador classe B

Os amplificadores classe B foram desenvolvidos como uma forma de solução para a eficiência energética e o aquecimento excessivo dos projetos de classe "A". Geralmente, em amplificadores B utiliza-se dois transistores complementares ou bipolares de FET para cada metade da onda, onde seu estágio de saída é configurado para funcionar com um sistema de "push-pull". Desta forma, cada transistor irá amplificar somente metade da onda do sinal de saída.

Quando o sinal de entrada fica positivo, o transistor polarizado positivamente conduz enquanto o negativo é desligado. Desta forma, cada transistor fica metade do tempo desligado, ou seja, possui um ângulo de condução de 180°. Com isso, os amplificadores de classe B são aproximadamente 50% mais eficientes comparado aos de classe A.

Embora os amplificadores classe B sejam mais eficientes e esquentam menos que os classe A, pode haver uma distorção no ponto de cruzamento zero da onda, momento onde o sinal "pula" de um transistor para o outro. Para superar essa distorção, também chamada de distorção de crossover), foi desenvolvido o amplificador classe AB.

Amplificador classe AB

Como o próprio nome já diz, o amplificador classe AB é aquele que combina os projetos de amplificadores "classe A" e "classe B". O amplificador classe AB basicamente é um meio termo entre a classe B e a classe A, mas com a diferença de que ambos os transistores podem conduzir ao mesmo tempo no ponto de cruzamento de onda, eliminando assim o problema da distorção de crossover do amplificador classe B. É possível projetar amplificadores puxando mais para o funcionamento de "classe A" ou "classe B", isso irá dependender do objetivo do desenvolvedor.

Em um amplificador classe AB, o transistor ficará ligado por mais de meio ciclo, ou seja, terá um ângulo de condução de mais de 180°. Porém, ao mesmo tempo, ele não ficará ligado o tempo inteiro como um transistor de um amplificador classe A, ou seja, seu ângulo de condução ainda será menor que 360°.

A grande vantagem do projeto de um amplificador classe AB está na solução do problema de distorção que o amplificador classe B. Além disso, ele mantém a superioridade que a amplificador classe B tinha comparado ao amplificador classe A na eficiência energética e no aquecimento. A eficiência energética de um amplificador classe AB chega a ser de 50% a 60% em média.

Amplificador classe D

A principal vantagem de um amplificador classe D está na eficiência energética. Aqui o ângulo de condução não está mais ligado ao sinal de entrada, embora varie em largura de pulso. Os projetos de amplificação classe D utilizam-se de circuitos digitais e pulse width modulation (PWM ou modulação por largura de pulso) para alternar constantemente entre o estado "totalmente ligado" e "totalmente desligado".

No amplificador classe D os transistores funcionam como chaves eletrônicas ao invés de utilizá-los como dispositivos de ganho linear. Aqui o sinal analógico fornecido pelo DAC (digital-to-analog-converter) é transformado em um fluxo de pulsos que representa o PQM. O valor da potência média do tempo dos pulsos é diretamente proporcional ao sinal analógico, ou seja, após a amplificação, o sinal pode ser convertido de volta através de um filtro passivo passa-baixa. Ao utilizar o filtro, há uma suavização do fluxo, removendo ruídos de alta frequência.

Como os pulsos de saída tem amplitude fixa, os elementos de comutação como, por exemplo, MOSFETs, válvulas termiônicas (tubo de vácuo ou vacuum tube) e transistores bipolares são ligados e desligados completamente ao invés de funcionarem de modo linear como amplificadores classe A, B e AB. Isso permite que haja uma grande eficiência energética e baixa geração de calor, fazendo com que amplificadores classe D sejam consideravelmente menores em volume físico comparado a amplificadores classe A, B e AB.

A qualidade de um amplificador classe D pode variar muito. Dependendo do material do indutor de saida, a distorção pode ser maior ou menor, por exemplo. Além disso, o tempo entre a comunicação entre os MOSFETs (principalmente com a tecnologia GaN), no "dead time", quando eles ficam "totalmente desligados", irá afetar a fidelidade do som produzido, onde quanto menor o tempo, melhor a linearidade do sinal. Se houver post filter feedback (PFF), após a passagem pelo indutor e capacitor que transforma o sinal PWM em sinal analógico, a distorção é consideravelmente menor.

Há casos em que um amplificador classe D, dependendo da forma como ele for projetado, é melhor que um amplificador classe AB. Tudo irá depender dos materiais e recursos utilizados no desenvolvimento do produto.