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Análisis por simulación de un amplificador totalmente complementario Un amplificador de audio típico tiene dos etapas amplificadoras de tensión en cascada. La primera suele ser un par diferencial y la segunda un transistor en modo emisor común. La tercera etapa suele ser un amplificador separador de la carga con alta ganancia de corriente y ganancia unitaria de tensión. En el siguiente estudio nos ocuparemos de las dos primeras etapas analizando un circuito que duplica la circuitería tradicional con el objetivo de reducir la distorsión armónica. Se conecta en paralelo dos etapas idénticas pero realizadas con transistores complementarios PNP y NPN. El circuito es el siguiente:

Se muestran dos generadores en serie ya que el software de simulación requiere dos diferentes tipos de generadores según se esté analizando amplitud de salida o ancho de banda. La red de realimentación está compuesta por R7 y R8 que fijan la ganancia total en 11 y también son la carga de salida. A fin de comparar el comportamiento a lazo abierto se reconecta el circuito de realimentación de la siguiente forma:

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Notar que es necesario reducir la amplitud de la señal de los generadores para producir la misma amplitud de la tensión de salida que a lazo cerrado. Con el objeto de comparar la mejora introducida en la configuración complementaria se analizará también su funcionamiento en configuración tradicional desactivando para la señal el par diferencial Q5-Q6, pasando Q8 a funcionar solo como carga activa de Q4, según se aprecia en el siguiente circuito:

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También lo estudiaremos a lazo abierto con el siguiente conexionado de la red de realimentación:

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La señal de salida obtenida en el modo complementario a lazo cerrado es:

Y realizando la Transformada Rápida de Fourier con el mismo software de simulación se obtiene:

Notar que la amplitud de la segunda armónica es menor que 1/10000 la amplitud de la fundamental, produciendo una distorsión armónica menor a 0,01%. Más adelante se calculará exactamente la distorsión y se comparará con las otras configuraciones circuitales.

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En modo complementario a lazo abierto la señal de salida es:

Notar que la ganancia de tensión a lazo abierto es aproximadamente 4000 veces por lo que fue necesario reducir el nivel de amplitud de los generadores a 0,003V a fin de obtener la misma amplitud de salida que a lazo cerrado. La tensión de salida tiene un corrimiento de aproximadamente -1V. El espectro de armónicas resulta:

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Las armónica mostradas (segunda, tercera y cuarta) son notablemente de mayor amplitud relativa respecto a la primera (fundamental) comparada con el espectro para lazo cerrado. Ahora veamos el comportamiento del circuito tradicional con un solo par diferencial. La señal de salida a lazo cerrado es:

Se ve idéntica a la respuesta obtenida con el circuito complementario, pero su análisis espectral resulta algo diferente:

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Notar que la amplitud de las armónicas superiores es mucho mayor respecto de la fundamental que para el circuito totalmente complementario a lazo cerrado. Comparar ambos espectros. Finalmente analizamos el circuito tradicional a lazo abierto. Se reduce la amplitud de los generadores de señal de 1V a 0,003V a fin de exitar al circuito de simple par diferencial en las mismas condiciones que el de doble par diferencial. La señal de salida es:

Notar que la amplitud de la señal de salida es la mitad de la obtenida con el circuito complementario. Esto es debido a que la ganancia a lazo abierto es la mitad que en el complementario. ¿Porqué? Y el espectro de armónicas resulta:

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Donde la amplitud de las armónicas superiores es aún mayor respecto de la fundamental, comparando con el circuito totalmente complementario a lazo abierto. Para compensar la reducción de la ganancia a lazo abierto aumentamos el nivel de amplitud a 0,006V obteniendo una amplitud de la señal de salida similar a la de lazo cerrado:

Con el siguiente espectro:

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Notablemente mayor que con la señal de 0,003V, lo que nos indica que la distorsión aumenta con la amplitud de la señal de entrada. ¿Porqué? Distorsión Se calcula la distorsión para cada caso presentado aplicando la ecuación:

2222

222

4321432100

aaaaaaaDA+++

++=

Los resultados se muestran en la siguiente tabla: par doble par simple lazo cerrado lazo abierto lazo cerrado lazo abierto Vent = 1V Vent = 3mV Vent = 1V Vent = 3mV Vent = 6mV

a1 11232 12529 11232 6021 11863 a2 0,481 176 2,22 99 429 a3 0,153 62 1,15 23 186

Am

plitu

d Ar

món

icas

a4 0,015 2 0,24 0,7 11

mV

Distorsión armónica 0,0045 1,4893 0,0224 1,6878 3,9396 %

La distorsión a lazo cerrado es muchísimo menor en el circuito totalmente complementario que en el tradicional. Ancho de banda

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La respuesta en frecuencia de ambas topologías es la misma, por ser idénticos los dos amplificadores de transconductancia (de dos etapas) conectados en forma simple (par diferencial único) o en paralelo (doble par diferencial). Los capacitores C1 y C2 de 60pF son para compensación, sin ellos la respuesta a lazo cerrado presenta un sobre pico en alta frecuencia (arriba de 1 MHz). Ancho de banda a lazo cerrado:

Ancho de banda a lazo abierto:

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Notar que a lazo abierto el ancho de banda es de solo 1 KHz. Esto ocurre en la mayoría de los amplificadores de audio y es la razón por la cual la distorsión aumenta considerablemente en función de la frecuencia a partir de 1KHz. Slew Rate La compensación de la respuesta en frecuencia tiene como desventaja la reducción del Slew Rate. En este circuito el Slew Rate resultó ser de 7V/uS como puede apreciarse en la siguiente gráfica.

En la simulación se usó el circuito:

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Notar que se desactivaron los generadores senoidales fijando su amplitud en cero y se agregó un generador de onda cuadrada con amplitud suficiente para producir una gran excursión de la señal de salida. Por efecto del Slew Rate una señal senoidal de entrada con amplitud pico igual a 15V y frecuencia superior a 75 KHz se deformará. Por ejemplo una señal senoidal de entrada con amplitud 1V pico y frecuencia 150KHz producirá a la salida la siguiente forma de onda altamente distorsionada.

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Polarización Las tensiones y corrientes de polarización se calcularon mediante simulación, obteniéndose el siguiente resultado: Tensiones de polarización

Corrientes de polarización

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Etapa de salida La etapa de salida tradicional en configuración AB aportará al amplificador distorsión adicional debida a la conmutación de los transistores. Esto se estudiará en un próximo documento. Conclusión La baja distorsión que se obtiene con un circuito totalmente complementario se debe a la alta linealidad de su transferencia. También puede verse como un efecto de cancelación de armónicas debido a su simetría. El costo de duplicar las dos primeras etapas de un circuito tradicional con un solo par diferencial es muy bajo comparado con el mejoramiento resultante. Como beneficio adicional debe destacarse la cancelación mutua de las corrientes de polarización de bases entre ambos pares diferenciales, resultando en una mejora sustancial del corrimiento de la tensión de salida originado por la polarización comparada con el diseño de un solo par. Autor Ingeniero Alberto Bertuccio Cátedra de “Circuitos Electrónicos 2” Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires