4. Amplificadores convencionais e classe D

Os amplificadores de áudio de modo geral cuidam de amplificar um sinal elétrico de baixa amplitude e intensidade. Este sinal elétrico pode ser emitido por um player qualquer, instrumento musical, microfone,  mesa de som, equalizadores, crossovers, processadores de áudio, etc..... Este sinais, tipicamente, vão de zero a 1 volts. Para fazer um altofalante funcionar, este sinal tem que ser ampliado dezenas de vezes, tanto em amplitude, como em intensidade. O altofalante exigira níveis de tensão mais elevados e capacidade de corrente maior. O amplificador de som fará exatamente isso.

AMPLIFICADORES LINEARES: 

Os amplificadores convencionais ou lineares, à válvula ou transistorizados, classe A, B, AB, G, H, fazem a amplificação de um sinal elétrico de forma linear, isto é, o ganho do amplificador atua linearmente em toda a excursão do sinal a ser amplificado. Em outras palavras, se o ganho do amplificador é 50, ao aplicarmos 1 milivolt em sua entrada, ele responderá em sua saída, 50 milivolts. Se aplicarmos em sua entrada 1 volt, ele respondera em sua saída, 50 volts. Claro que esta saída estara dimensionada para desenvolver a corrente necessária na carga ligada a ela. Fica claro então que dependendo da amplitude do sinal aplicado, o amplificador apresentará na saída qualquer valor de tensão proporcional ao sinal de entrada, desde zero volts até a tensão de alimentação do sistema. A tensão de alimentação do sistema determinará a máxima excursão de saída do amplificador.

Note que a saida sempre apresentará uma tensão com amplitude proporcional a amplitude do sinal de entrada, ou seja, o sinal de entrada vezes o ganho. (Vin x ganho = Vout).

O desenho acima exemplifica a situação onde o amplificador recebe um sinal de 1 volt. Como seu ganho é 50 e sua alimentação é de 40 volts simétricos, percebe-se que a amplificação ficou limitada a tensão de alimentação. Houve um ceifamento do topo do sinal, ou seja, o sinal esta clipado.

Nestes amplificadores lineares, o rendimento é muito baixo. Em alguns casos, 50%. Na topologia mais usada, classe AB, o rendimento é de aproximadamente 65%, isto é, para cada 10 watts consumidos pelo amplificador,  3,5 watts são dissipados na forma de calor e 6,5 watts são efetivamente transformados em som. Este baixo rendimento é inerente ao funcionamento linear de amplificação. 

AMPLIFICADORES CLASSE D (conhecidos como digitais):

Os amplificadores classe D são erroneamente chamados de "digitais". Este confusão talvez aconteça pelo fato de que os sistemas digitais funcionem com  base em números binários, e os amplificadores classe D funcionem com os transistores de saída em estado "ligado" ou "desligado". Estas duas situações são similares, pois podemos pensar que os dois casos funcionem com "zeros e uns" ou "ligados e desligados".

Na verdade, o amplificador classe D trabalha com o que chamamos de modulação por largura de pulso ou PWM, iniciais em ingles de Pulse Width Modulation. Neste tipo de amplificação os transistores de saída funcionam ligados ou desligados, nunca na região linear, que seria em um potencial entre o zero volts e a alimentação do sistema. 

Conforme podemos ver no desenho acima, o comparador recebe um sinal triangular de frequencia fixa, em torno de 200 Khz e o compara com o sinal de áudio a ser amplificado. Como sabemos, a parcela importante de frequencias em uma programação sonora fica entre 30 Hz e 30 KHz. Esta comparação resulta em um trem de pulsos com frequencia fixa, largura variável e amplitude constante. A amplitude de modulação será igual a amplitude da alimentação do sistema. O trem de pulso originado passa pelo drive de gate e é finalmente aplicado aos transistores de saída. O sinal que sai dos transistores de saída é o trem de pulsos de largura variável originado na saída do comparador, só que agora com ganho de potencia, e esta largura estará sofrendo  uma variação permanente ao longo do tempo,  em função da amplitude e da frequencia do sinal a ser amplificado. Finalmente, este trem de pulsos de 200 Khz, modulado pelo sinal de áudio, passa por um filtro low pass representado na figura acima por Lf e Cf. Este filtro cuida de atenuar drasticamente a energia com frequencia fixa de 200 Khz, permitindo somente a passagem das frequencias mais baixas, no caso, a frequencia do sinal de amplificado, recuperando então a informação de áudio contida no trem de pulsos.  

Neste processo, os transistores de saída estão permanentemente ligando e desligando, e por não trabalharem na região linear de funcionamento, dissipam muito menos calor neste trabalho, o que significa maior rendimento que os sistemas convencionais, tipicamente entre 85% e 95% de rendimento contra um máximo de 65% nos outros sistemas. 

O avanço dos semicondutores de potencia com tecnologia mosfet e dos controladores PWM nos últimos anos, permitem a construção de amplificadores de excelente qualidade com muitas vantagens sobre os sistemas convencionais. 

Para as duas topologias, podemos calcular a potencia aproximada do amplificador conforme indicação abaixo;