Tutorial: As Classes de Amplificação

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As classes “verdadeiras” ou fundamentais são poucas, somente cinco na verdade (A, B, AB, C e D), sendo que qualquer outra pode ser reduzida a uma destas.

Todo amplificador de áudio, de qualquer tecnologia ou potência, possui um estágio de saída, onde se dá o ganho de corrente a um nível suficiente para excitar uma carga tal como um alto-falante ou fone de ouvido. Todos os estágios de saída existentes podem ser classificados em classes e dentro das topologias analógicas, tal classificação segue uma ordem alfabética de “completeza de corrente”. As classes “verdadeiras” ou fundamentais são poucas, somente cinco na verdade (A, B, AB, C e D), sendo que qualquer outra pode ser reduzida a uma destas. Vale complementar que tais classes não se aplicam somente a áudio, mas a várias outras áreas, como acionamento de motores, servos-atuadores, transmissão de dados, transmissão de RF, etc.

Neste artigo vamos considerar apenas a topologia (que é o modo como os componentes são ligados) tipicamente utilizada em áudio, denominada complementar.

Figura 1 – um estágio de saída complementar

Nesta topologia existem dois elementos ativos responsáveis pelo ganho de corrente, Is+ e Is-. Estes elementos podem ser válvulas ou transistores de qualquer tipo. É chamando “complementar” porque os dispositivos “empurram” a corrente alternadamente, de modo a se complementarem.

Observação importante: a classe diz respeito somente ao estágio de saída do amplificador! Nesta classificação devemos ignorar qualquer coisa externa ao estágio de saída, como pré-amplificadores, fontes de alimentação, etc. Somente o estágio de saída conta e nada mais!

Curiosidade: a razão para o surgimento das várias classes de amplificação é a diminuição do gasto de energia (ou melhora da eficiência/rendimento, que é a mesma coisa).

Desde o surgimento dos amplificadores de áudio, pelas mãos de Lee De Forest no começo do século 20, iniciou-se o processo de melhora da eficiência, ou redução do gasto de energia, o que dura até hoje. Basta verificar que as baterias eram muito utilizadas como fonte de alimentação nesses tempos pioneiros (e voltou a serem agora, com os Smartphones).

Pode-se definir eficiência ou rendimento ( ) como sendo o lucro (energia disponível na saída) dividido pelo investimento (energia fornecida pela fonte de alimentação):

Um processo que lograsse obter na saída toda a energia aplicada à entrada exibiria uma eficiência de 100% – algo obviamente impossível (mas atualmente podemos chegar perto).

Agora sim, podemos começar a definir as Classes de Amplificação, na mesma ordem em que elas foram criadas.

As Classes Fundamentais Analógicas A, B, AB e C

As classes fundamentais analógicas A, B, AB e C se caracterizam por empregarem, basicamente, a mesma topologia, onde a polarização assumirá diferentes pontos. Podem ser realizadas com praticamente qualquer dispositivo ativo: válvulas, transistores bipolares, transistores JFETs, MOSFETs, IGBTs, etc. Em todas estas classes, os dispositivos de potência atuam como resistores variáveis ativos (ou, de modo mais rigoroso, como fontes de corrente).

Classe A: a pioneira. O amplificador de Lee De Forest era classe A – ela privilegia a qualidade de áudio e consegue obter uma boa qualidade mesmo com dispositivos (válvulas ou transistores) ruins, porém a custa de um grande gasto de energia (possui grandes perdas ou grande aquecimento). Esta foi a primeira classe realmente utilizável e muito empregada nos primórdios do áudio. Praticamente todos os estágios de saída dos amplificadores utilizados nas primeiras décadas do século 20 eram classe A (inclusive os dos rádios). O máximo rendimento teórico (que não inclui as perdas dos dispositivos na conta) da classe A complementar é de somente 50%, ou seja, metade da energia será convertida em sinal elétrico utilizável, e a outra metade da energia será inevitavelmente convertida em calor! Porém, como os dispositivos (transistores ou válvulas) também contribuem, as perdas totais serão ainda maiores… fazendo com que o rendimento total caia para valores típicos de 20%… (80% da energia convertida em calor).

Definição de Classe A para o circuito da figura 1: a corrente circula em ambos os dispositivos Is+ e Is- pelo ciclo completo do sinal (senoidal, neste exemplo).

Figura 2 – as correntes em classe A para um sinal senoidal – em verde Is+ e em azul Is– . Repare que as ondas são senóides completas.

Classe B: é o oposto da classe A. Ela privilegia o rendimento (eficiência) e não a qualidade. E o rendimento sempre foi muito importante. Imagine que o equipamento é alimentado por baterias, como em um rádio comunicador militar. Neste exemplo, a simples troca do estágio de saída de classe A para classe B poderia mais que dobrar a duração da bateria! Algo essencial nas aplicações portáteis. O rendimento teórico máximo (sem incluir as perdas dos dispositivos) é de 78,5%. E utilizando-se transistores modernos poderemos chegar a 50 ou 60% de rendimento total (consideradas as perdas próprias da classe + as perdas dos dispositivos). Uma grande melhora em relação à classe A.

Definição de classe B para o circuito da figura 1: a corrente circula por exatamente meio-ciclo em cada dispositivo.

Figura 3 – as correntes em classe B para um sinal senoidal – em verde Is+ e em azul Is– Repare que as ondas são meia senóides

As desvantagens da classe B: na figura 3 fica claro que na transição de Is+ para Is- e vice versa, ocorre uma descontinuidade, ou seja, um período de tempo em que nenhum dos dois dispositivos do par complementar está fornecendo qualquer corrente, provocando uma distorção que ficou conhecida por distorção de crossover (distorção de cruzamento), sendo este efeito derivado das características naturais dos transistores (com válvulas esse efeito é naturalmente ausente), e este é o grande problema da classe B.

Classe AB: o “meio termo” entre as classes A e B. O objetivo aqui é obter qualidade de áudio muito próxima da classe A, mas com o rendimento típico da classe B. Talvez essa seja a classe analógica mais bem sucedida, pois é presente ainda hoje em quantidades significativas. Em definição ela é tão próxima da classe B que por vezes não é citada nos livros-texto de eletrônica, sendo considerada simplesmente uma “classe-B corrigida”, por assim dizer. A descontinuidade nas transições, como vista na figura 3, foi eliminada por um “truque” de engenharia, onde um pequeno grau de polarização (ou corrente inicial) foi aplicado aos transistores para que a corrente circule por um pouquinho a mais que meio-ciclo, eliminando esse efeito indesejável. Vejam:

Figura 4 – as correntes em classe AB para um sinal senoidal – em verde Is+ e em azul Is-. Repare o “sumiço” da distorção de crossover

O rendimento teórico máximo (sem considerar as perdas próprias dos dispositivos) situa-se entre os 50% da classe A e os 78,5% da classe B. Na prática, quando se consideram também os dispositivos, é comum obter-se valores muito próximos aos da classe B, podendo também ficar entre 50-60%.

Definição de classe AB para o circuito da figura 1: a corrente circula por mais de meio-ciclo em cada dispositivo, porém menos que um ciclo completo.

Classe C: nesta classe a questão do gasto de energia é levado ao extremo. A classe C nada mais é do que um estágio classe B em que um dos dispositivos foi simplesmente retirado (Is+ ou Is- indiferentemente); obtendo-se o seguinte resultado:

Figura 5 – a corrente em classe C para um sinal senoidal no dispositivo Is+ (o Is- foi retirado)

O resultado obtido pela classe-C não permite a sua utilização direta em áudio, mas é largamente utilizada nos estágios de saída dos transmissores de RF, inclusive para transmissão de dados em sistemas portáteis, como nos Smartphones. Apesar de, na sua forma pura, ser imprestável para áudio, tal classe “inspirou” tecnologias realmente revolucionárias, como a classe D.

Definição de classe C para o circuito da figura 1: a corrente circula por menos de meio-ciclo em um único dispositivo.

Um Resumo das Classes Fundamentais Analógicas

As classes fundamentais analógicas podem ser realizadas todas em uma mesma topologia complementar com dois dispositivos, simplesmente fazendo com que a corrente que percorre os dispositivos vá ficando cada vez mais completa. Partindo da classe C (a menos completa), até alcançar a classe A (mais completa), pode-se definir:

Classe C: a corrente circula por menos de meio-ciclo em um único dispositivo

Classe B: a corrente circula por exatamente meio-ciclo em cada dispositivo

Classe AB: a corrente circula por um pouco mais de meio-ciclo em cada dispositivo

Classe A: a corrente circula pelo ciclo completo em ambos os dispositivos

Os Modos de Operação H e G

As classes fundamentais A, B e AB puderam ser aperfeiçoadas com a introdução de alguns “truques”. Os mais bem sucedidos são os chamados “modos de operação classe H e classe G”. Aqui as aspas são para nos lembrar que não se tratam de classes verdadeiras, mas “truques” de engenharia para melhorar o desempenho de qualquer uma das classes fundamentais A, B ou AB. A preocupação dos modos H e G é aumentar a eficiência (rendimento), ou gerar menos calor, que é a mesma coisa. O limite prático para o rendimento que um estágio classe H ou G pode alcançar é da ordem de 80-85%, a depender da sofisticação da solução e dos dispositivos escolhidos.

Classe H: consiste em se trocar a fonte de alimentação fixa por outra variável. Tal fonte variável alimenta um único estágio de classe fundamental A, B ou AB, que passa então a se chamar célula. A idéia básica é fazer com que a tensão de alimentação aplicada à célula varie (aumente e diminua) seguindo aproximadamente o sinal de áudio. Essa variação poderá ser feita em “degraus” ou linearmente. No passado isso era realizado por transistores, de modo totalmente analógico, e mais recentemente passou a ser feito através de técnicas de fonte chaveada. Teoricamente quanto mais fiel for esse processo da alimentação “seguir o sinal de áudio”, maior será o rendimento do estágio de saída, sem uma grande perda de qualidade sonora.

Figura 6 – classe H de 3 estágios

O modo H obteve grande sucesso e muitos amplificadores o utilizam até hoje. Alguns exemplos clássicos de classe H são as Crest Audio CA-12 / CA-18 e as Ciclotron TIP3000 / TIP5000, que utilizavam tensões linearmente variáveis. Já as QSC CX-702 / CX-902 e as Hotsound HS 3.0 / HS 5.0 o faziam por meio de “degraus” ou “estágios”. Mais recentemente o modo classe H passou por uma “revitalização”, com a introdução de técnicas de fonte chaveada nestas fontes de tensão variável. Os modelos mais conhecidos a adotarem esses processos modernos são as Labgruppen FP, FP+ e PLM e as Crown da linha XTi. No caso da Labgruppen a técnica foi denominada (pela empresa) de “classe TD”, em alusão a Tracking class-D, ou “seguindo a classe-D”, mas trata-se, fundamentalmente, de um estágio classe H (com célula classe AB) bastante aperfeiçoado pelo uso de técnicas chaveadas.

Classe G: é uma associação em série de células de qualquer uma das classes fundamentais A, B ou AB. Ao invés de uma única célula alimentada por tensão variável, como na classe H, utilizam-se várias células associadas em série, cada uma com uma tensão de alimentação fixa um pouco maior que a anterior. A ideia é fazer com que cada célula trabalhe em uma faixa de alimentação reduzida e à medida que o sinal cresce e uma dada célula se aproxime da saturação, a seguinte assume e assim por diante até a última. As vantagens obtidas por esse processo são semelhantes às obtidas pela classe H de estágios discretos. Os amplificadores classe G mais conhecidos talvez tenham sido os antigos Gradientes “Super A”, cuja primeira célula era classe A e as demais classe AB.

Figura 7 – classe G de 3 estágios

Por não serem classes verdadeiras, os modos H e G raramente são citados nos livros-texto de eletrônica e, fundamentalmente, são a mesma coisa. Por isso, com freqüência as suas definições aparecem invertidas, conforme a publicação ou fonte consultada. As definições mostradas aqui seguem o padrão dos países europeus e asiáticos, mas se a fonte consultada for norte-americana, provavelmente elas estarão invertidas… ou seja: a topologia apresentada aqui como “classe H”, em uma referência americana provavelmente será apresentada como “classe G” e vice-versa.

Além do Analógico – Classe D

Radicalmente diferente das classes fundamentais analógicas, o amplificador classe D resulta da “hibridação” entre técnicas de modulação e fontes chaveadas. Foi desenvolvida nos anos 1950 pelo pai do PCM, Dr. A. H. Reeves. Acoplando um modulador (tipo PWM, por ex.) a um estágio de potência chaveado, obtém-se um grande ganho de potência a perdas muito baixas. Para separar o sinal de áudio original da portadora de modulação, utiliza-se a clássica técnica de filtragem passa-baixa, recuperando o sinal original amplificado. O “pulo do gato” da classe D reside no seu estágio de saída manipular somente valores discretos ou “quantizados”, como usualmente uma fonte chaveada o faz e através dessa troca – de processo linear para processo chaveado, os dispositivos de potência não mais atuam como “resistores variáveis”, mas como chaves. As perdas assim tendem a zero e passam a depender somente dos dispositivos escolhidos. Em princípio, agora nada impede que a eficiência desse estágio de potência alcance o nosso ideal de 100%. Na prática, com os transistores modernos de que dispomos hoje, podemos alcançar 95% ou até mais, com excelente qualidade de áudio.

Figura 8 – classe D

Definição de classe D para o circuito da figura 8: conversor chaveado tipo buck (abaixador de tensões) complementar síncrono, onde o sinal de áudio é a referência de modulação.

Dos estudos originais do Dr. A. H. Reeves, muita coisa aconteceu, mas dois fatos se destacam:

a) No final dos anos 1970 ocorreu a introdução massiva no mercado de dispositivos bem mais adequados aos processos de potência chaveados – os transistores de efeito de campo de porta isolada, ou MOSFETs. Este foi um divisor de águas, que finalmente tornou os amplificadores classe D utilizáveis;

b) A partir dos anos 1990 foram desenvolvidos novos processos de modulação, superiores ao PWM, como os PMC (phase-modulation-control), o sigma-delta/PDM (pulse density modulation) e outros.

Os amplificadores classe D são, de longe, os mais complicados de se projetar e construir, se considerarmos potências equivalentes. Surge aqui o mesmo impasse observado na transição de fontes convencionais para fontes chaveadas. Este campo é multidisciplinar por natureza e o projetista terá que estar familiarizado com outras áreas da eletrônica além do áudio, como circuitos lógicos digitais, teoria da amostragem, magnetismo, interferência eletromagnética, eletrônica de potência chaveada, entre outras.

Figura 9 – exemplo de modulação sigma-delta (em azul) para um sinal senoidal de 20kHz (em verde)

Fazer a transição de amplificadores analógicos das classes fundamentais para a classe D é em muito semelhante a fazer a transição de fontes convencionais para fontes chaveadas. De fato, um amplificador classe D pode ser visto como um conversor chaveado tipo buck (ou abaixador, como é conhecido em eletrônica de potência) acoplado a um modulador. Ambos os campos, áudio classe D e fontes chaveadas estão fortemente ligados e muitas das técnicas que se aplicam a um se aplicam ao outro. O áudio classe D é hoje uma das áreas mais ativas da engenharia.

Curiosidade: Classe D é digital?

Existe controvérsia a respeito, mas eu defendo que sim, pois os sinais que transitam por qualquer estágio de saída classe D apenas podem assumir níveis discretos, se enquadrando perfeitamente na definição de circuito digital. Em outras palavras, o amplificador classe D é, de maneira rigorosa, um circuito híbrido quando considerado do início ao fim (os estágios de pré-amplificação, modulação e reconstrução continuam sendo analógicos). Porém para se definir a classe de amplificação, como destacado no início, deve-se olhar apenas para o estágio de saída, e neste caso ele lida apenas com sinais de níveis discretos ou “digitais”. Portanto dizer que classe D é “digital”, a meu ver é correto e não fere o rigor científico.

Porém, por mais incrível que possa parecer, a letra “D”, não foi escolhida por este motivo, mas simplesmente por vir na sequência de “C” (da classe C).

As Classes “comerciais”

Recentemente surgiram no mercado, amplificadores de “classes” até então desconhecidas: classe I, classe K, classe TD entre outras. Porém, de modo rigoroso, todas elas podem ser reduzidas a uma das classes fundamentais, por serem variações e/ou aperfeiçoamentos destas. Tais “criações” têm um cunho mais comercial do que científico e tal prática é por vezes criticada. Nenhuma destas “classes” é sequer citada em qualquer livro-texto ou artigo, portanto não podem ser consideradas classes verdadeiras.

Leitura recomendada:

• Ben Duncan, “High Performance Audio Power Amplifiers”, Butterworth-Heinemann, 1998;
• Rosalfonso Bortoni, “Amplificadores de Áudio”, H. Sheldon Serviços de Marketing Ltda., 2002;