Polarizarea ( biasul ) optima

 In articolul anterior v-am prezentat superdioda sarind peste niste etape in dezvoltarea subiectului "amplificator audio" pentru ca era necesara intelegerea superdiodei inainte sa dezbatem subiectul polarizarii optime. Acest articol este asadar o continuare a precedentului, vom dezvolta aici mai exact ce efect are polarizarea asigurata de superdioda si vom intra in ceva mai multa teorie pentru a putea intelege mai bine subiectul, si totodata pentru a combate mituri larg raspandite pe internet.

Ce este biasul optim?

Pentru a raspunde la aceasta intrebare este util a se preciza intai unele notiuni conexe:

1.-Vt este asanumitul Thermal Voltage ( nu stiu daca traducerea ajuta prea mult => Tensiunea Termica ), nu voi intra prea mult in detalii, voi preciza insa ca acest parametru influenteaza relatia dintre curentul electric si potentialul electrostatic intr-o jonctiune. Aflarea sa se bazeaza pe constanta lui Boltzmann ( mai multe detalii AICI ) si se calculeaza dupa formula:

-Kb este constanta lui Boltzmann si are valoarea de 13,80648800E^-24, sau 1,380648800*10^-23;
-T este chiar temperatura exprimata in grade kelvin;
-q este sarcina electrica si are valoarea de 160,2176565E^-21, sau 1,602176565*10^-19;

La temperatura camerei ( aproximativ 300*K ) Vt este de cca 26mV.

2.-Gm este Transconductanta, este raportul dintre variatia curentului de colector si variatia tensiunii din baza, se exprima in S=>Seimens, formula ei este:

-Ic este curentul de colector;
-Vt este parametrul descris mai sus;

3.-Re' este rezistenta intrinseca a emitorului, si este inversul Transconductantei, adica 1/Gm.

4.-RE, vom numi astfel rezistenta de putere din emitorul tranzistorului final.

5.-Zout este impedanta de iesire a etajului final. In gol si la semnal mic unde curentul de varf pe sarcina este mai mic decat dublul curentului de repaos, ambii tranzistori contribuie cu transconductanta ( portiunea de clasa A ), astfel impedanta de iesire este ( RE+Re' )/2, la nivel de semnal mai mare unde se trece in clasa B si doar una din ramuri conduce, Zout este RE+Re' dar deoarece Re' devine prea mic pentru a mai conta, in aceasta zona Zout poate fi considerat practic ca fiind RE.

6.-Axv este amplificarea in tensiune a etajului final, aceasta este:

Unde RL este rezistenta de sarcina.

7.-Static crossover distortion, sau distorsiunile de trecere prin zero, in principiu s-ar putea imparti in 2 categorii, prima fiind deformarea vizibila pe osciloscop a formei de unda, si a 2-a fiind efectul masurabil asupra armonicilor. Deformarea vizibila pe osciloscop insa se elimina cu orice curent de mers in gol, deci nu face subiectul prezentarii, ma voi axa pe cea de a 2-a categorie, fiind mult mai importanta si mai complexa.

 Sa ne imaginam un etaj final cu rezistente de emitor de 100m Ohm, sau 0,1; presupunem un curent de mers in gol reglat la 50mA; se da o sarcina de 4 Ohm si se cere aflarea amplificarii in tensiune a etajului final atat in zona A de functionare cat si in zona B. Stim de la descrierile de mai sus faptul ca Axv este RL/(RL+Zout). Stim RL ca fiind 4 Ohm, mai trebuie Zout, respectiv impedanta de iesire si incepem cu zona de clasa A:

-In aceasta zona Zout este asa cum am zis mai sus (RE+Re')/2, stim RE dar trebuie sa aflam Re', acesta stim ca este inversul transconductantei, si ca aceasta din urma este IC/Vt, de aici este simplu, luand in calcul VT de la temperatura camerei de 26mV rezulta ca Gm=0,05/0,026=1,923S, deci Re'=1/Gm=1/1,923=0,52, asadar Zout=(0,1+0,52)/2=0,31, Axv=4/(4+0,31)=0,92.

-In zona de functionare B, Zout este RE+Re'. Sa presupunem un curent de varf pe sarcina de 10 ori mai mare decat curentul de repaos, adica de 0,5A, in atare situatie Gm este 0,5/0,026=19,23S; Re'=1/19,23=0,052; Zout=0,1+0,052=0,152; Axv=4/(4+0,152)=0,96

Intre cele 2 zone de functionare este o diferenta la amplificarea in tensiune pe sarcina de 4 procente, asta creeaza Static crossover distortion, adica diostorsiunile de trecere prin zero.

8.-Gm doubling. Sa presupunem un etaj final unde biasul este intentionat setat mai mare, suficient de mare incat Re' este foarte mic comparativ cu RE in zona de clasa A, in atare situatie Zout este aproximativ RE/2 ( Re' fiind suficient de mic incat sa poata fi practic ignorat ), transconductanta aici este 2/RE ( ambii tranzistori conduc ); la zona de functionare B unde doar un tranzistor conduce Zout este pur si simplu RE, iar transconductanta 1/RE, adica Gm practic s-a dublat in zona de trecere. Pentru aparitia acestui fenomen conditia primordiala este un curent de mers in gol suficient de mare, in practica foarte rar este setat atat de sus, deci si fenomenul descris rar apare, dar un curent de mers in gol mai mare decat valoarea optima rezulta totusi in variatiile Axv si deci in distorsiuni de cross.


Ok si atunci totusi Care este biasul optim?

Acum avem suficiente date pentru a face aceasta determinare. Revenim la punctul 7 unde am descoperit cum un curent mai mic decat cel optim rezulta in acele variatii ale Axv datorita variatiilor Zout, deci aici trebuie sa ne concentram asigurandu-ne ca atat in primul caz cat si in al 2-lea Zout este relativ acelasi, pentru asta se impune ca in zona de mers in gol ( zona "A" ) Re'=RE, avem acolo un exemplu de RE=0,1, deci trebuie sa ne asiguram ca si Re'=0,1; stiind ca Re' este inversul transconductantei determinam ca Gm trebuie sa fie 1/0,1, adica 10S, si stiind ca Gm=IC/Vt=IC/0,026 rezulta ca IC=0,026*10, adica 260mA, curent care provoaca o cadere de tensiune pe rezistenta din emitor ( care stim ca-i de 0,1 ) de 0,26*0,1=0,026V, sau 26mV. Acesta este teoretic biasul optim si este valabil la orice valoare a rezistentei de putere din emitor RE pentru ca in cel mai simplist mod spus, ne intereseaza sa replicam pe rezistenta de putere din emitor, acea valoare a Vt indiferent de valoarea in sine a rezistentei aleia.

Cu alte cuvinte reglarea curentului de mers in gol la valoarea optima se face cautand sa obtinem o anume tensiune pe rezistenta de putere din emitor, si nu neaparat un anumit curent de mers in gol. Si ca sa verificam ca este valabil la orice valoare a RE, presupunem ca rezistenta de putere este de 0,47 Ohm, setam biasul astfel incat avem cei 26mV cadere pe ea, asta aduce un curent IC de cca 55mA; Gm=0,055/0,026=2,115; Re'=1/2,115=0,47. Asadar conditia ceruta ca la zona de functionare A, RE=Re' este indeplinita in ciuda faptului ca diferenta de curent de mers in gol intre cele 2 valori ale rezistentei de putere este de peste 200%.

In practica acest bias nu este intotdeauna usor de obtinut si presupune un curent de mers in gol destul de mare pentru rezistente de emitor mici ( au rezultat 260mA pentru 0,1 Ohm ), tot in practica Re' mai este influentat si de alti parametrii, cum ar fi rezistenta ohmica interna a bazei si a emitorului, dar influenta ar trebui sa fie suficient de mica incat sa nu afecteze prea mult performantele, in principiu o cadere de tensiune pe rezistenta de putere ( indiferent de valoarea ei ) intre 20 si 25mV "la rece" ( adica radiatorul la temperatura camerei ) ar trebui sa fie in regula, si sa asigure un curent de mers in gol optim.

Trebuie avut grija la stabilitatea termica a acestui bias, asta impune ca structura superdiodei sa tina cont de structura etajului final, varianta cea mai simpla presupune ca intreg etajul final sa fie fixat pe acelasi radiator ( adica toti tranzistorii care-l compun ), la dublet cu o singura pereche de finali asta presupune 4 tranzistori fixati pe acelasi radiator, la triplet tot cu o singura pereche de finali presupune faptul ca 6 tranzistori sa fie fixati pe acelasi radiator. Adica se impune conditia ca toate jonctiunile BE comandate de superdioda sa fie pe acelasi radiator, asta permite superdioda clasica si arhicunoscuta cu un tranzistor, una sau 2 rezistente si un remireglabil. Alte structuri de etaje finale unde nu toti tranzistorii pot fi fixati pe acelasi radiator impun modificarea in consecinta a superdiodei, spre exemplu daca doar 2 jonctiuni din 4 sunt fixate pe radiator comun cu elementul "senzor" al superdiodei, atunci si aceasta din urma trebuie sa fie configurata astfel incat sa compenseze doar 2 jonctiuni, variatii pe aceasta tema am prezentat anterior la capitolul superdioda.

Pentru ca s-a tot dezbatut in trecut metoda dupa Vbe, respectiv cca 550mV masurati intre baza si emitorul finalilor, si pentru ca au fost voci care au afirmat ca au verificat-o, ma simt dator sa punctez macar superficial de ce este poate cea mai nefericita metoda de reglaj al curentului de mers in gol. Avem nevoie de un curent minim permanent, si ducand polarizarea jonctiunii BE a finalilor in zona aia, cu siguranta ceva curent o sa avem prin ei, pentru ca suntem in zona pragului de deschidere, coincidenta face ca masurand jonctiunile BE si BC ale finalilor de putere, cu functia dioda, se regasesc de regula intre 5-600mV, sau poate nu-i coincidenta, si de aici origineaza metoda asta, habar n-am si nici nu ma intereseaza. Problema este ca nu stii si ce curent de mers in gol ai setat, din pdf poti doar estima grosier, cu posibilitate de eroare foarte mare pentru ca diferente fata de graficele din pdf este normal sa fie mai ales in zona asta, e cu atat mai grav daca setezi polarizarea asta cu radiatorul cald pentru ca ne amintim ca potentialul BE pentru un curent dat, scade o data cu cresterea temperaturii, adica la aceeasi polarizare in baza, la cald o sa ai un curent mai mare in colector, pe asta il estimezi si mai greu pentru ca informatiile pdf-urilor sunt deseori legate de temperatura aia de 25*C. Problema nu se termina nici macar aici, pentru ca 2 tranzistori de acelasi tip pot avea diferente substantiale in zona asta, in special la evolutia IC versus VBE care are o curba logaritmica. Adica pe scurt, stii ca ai dus finalul la o oarecare polarizare, dar habar n-ai si cat anume, in cel mai rau caz, mai bine inseriezi un ampermetru cu o ramura a alimentarii si reglezi stiind astfel exact ce curent tragi in gol din alimentare.

Inainte sa inchei tin sa mai combat un alt mit legat de polarizarea etajului final, si anume ca daca se seteaza un curent de mers in gol mai mare atunci trebui radiator mai mare la etajul final. 
Este cat se poate de fals si provine probabil fie din slaba intelegere a disipatiei etajului final, fie din confuzia cu clasa A de etaj final.
In principiu puterea disipata in etajul final este diferenta dintre puterea consumata din alimentare si puterea investita in sarcina, efectul polarizarii realiste a oricarei clase AB asupra acestui raport este nesemnificativ. Mai mult decat atat, disipatia maxima in etajul final are loc la un nivel de semnal care duce in sarcina aproximativ 1/3 din puterea maxim disponibila, spre exemplu daca avem un amplificator capabil de 100W, etajul final disipa cel mai mult la aproximativ 33W putere investita in boxa. Pentru acest criteriu se dimensioneaza radiatorul, si contributia polarizarii la acest nivel este nesemnificativa. Chestia asta se poate foarte usor demonstra cu o simpla simulare, este cel mai rapid mod de a determina disipatia in etajul final si de a selecta un radiator potrivit.

Nota:
-Daca nu se urmareste maximul de performanta din etajul final atunci polarizarea se poate face destul de relaxat, pana si 10-15mA per final sunt deajuns pentru a elimina efectele perceptibile urechiometric la lipsa unui curent de mers in gol. Pentru siguranta se seteaza cateva zeci de mA prin fiecare pereche, reglajul facandu-se la fel prin masurarea tensiunii de pe rezistenta din emitor si impartirea ei la valoarea rezistentei pentru aflarea curentului. 
-Daca se urmaresc totusi performante mai mari ale polarizarii atunci este bine sa se mearga catre cei 26mV pe rezistenta din emitor la rece, si pentru a nu avea un curent de mers in gol exagerat, se pot pune rezistente de putere la valori ceva mai mari care vor presupune asa cum ati vazut un curent de mers in gol mai mic la polarizare optima. Nu trebui sa va faceti griji in privinta DF ( damping factor ) deoarece efectul decisiv in stabilirea impedantei de iesire finale a amplificatorului il are reactia negativa, si cu cat aceasta este mai puternica, cu atat efectul benefic asupra impedantei de iesire este mai mare.