electrónica de comunicaciones

Electrónica de Comunicaciones

CONTENIDO RESUMIDO:

1- Introducción

2- Osciladores

3- Mezcladores.

4- Lazos enganchados en fase (PLL).

5- Amplificadores de pequeña señal para RF.

6- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos.

7- Amplificadores de potencia para RF.

8- Demoduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK).

9- Demoduladores de ángulo (FM, FSK y PM).

10- Moduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK).

11- Moduladores de ángulo (PM, FM, FSK y PSK).

12- Tipos y estructuras de receptores de RF.

13- Tipos y estructuras de transmisores de RF.

14- Transceptores para radiocomunicaciones ATE-UO EC piezo 00

7- Amplificadores de potencia para RF

ATE-UO EC amp pot 01

Idea fundamental:

Amplificar señales de RF hasta niveles suficientes para su transmisión y hacerlo con buen rendimiento energético.

PRFPe RF

Rg

Amplificador de potencia

de RF

+

RL

PCC

VCC

Pperd

= PRF/PCC

iC

20

t

iC

20

t

iC

20

t

Concepto de “Clase” de un transistor en un amplificador (I)

Clase A:conducción durante 2

Clase B:conducción durante

Clase C:conducción <

ATE-UO EC amp pot 02

iC

Amplificador de potencia de RF

RL

Rg

+

Q1

Concepto de “Clase” de un transistor en un amplificador (II)

• Clase D: Q1 trabaja en conmutación

• Clase E: Q1 trabaja en conmutación a

tensión cero

ATE-UO EC amp pot 03

iC

t

t

vCE

Control

iC

Amplificador de potencia de RF

RL

Rg

+

Q1

+

-vCE

ATE-UO EC amp pot 04

Tipos de amplificadores de potencia de RF

Rg

Amplificador de potencia

de RF

+

RLVCC

vg

+

-vs

Amplificadores lineales: la forma de onda de la tensión de salida vs es proporcional a la de entrada vg.

Amplificadores no lineales: la forma de onda de la tensión de salida vs no es proporcional a la de entrada vg. Caso especialmente

interesante: tensión de salida vs proporcional a VCC.

Rg

+

Polarización

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE

ATE-UO EC amp pot 05

Amplificador “Clase A” con la carga en el circuito de polarización (I)

Circuito básico

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE

ATE-UO EC amp pot 06

Amplificador “Clase A” con la carga en el circuito de polarización (II)

IB

iC

vCE

VCC/RL

VCC

t

vCE1

t

iC1

PRF = ic12·RL/2 PCC = ic1·VCC

= PRF/PCC = ic1·RL/(2·VCC)

Elegimos un punto de trabajo

Luego crece con iC1. Pero el crecimiento de iC1 tiene un límite

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE

ATE-UO EC amp pot 07

Amplificador “Clase A” con la carga en el circuito de polarización (III)

IB

iC

vCE

VCC/RL

VCC

Máximo valor de iC1

max= ic1·RL/(2·VCC) con iC1 = VCC/2RL

Por tanto: max= 1/4 = 25%

¡El 25% es un rendimiento máximo muy bajo!

iC1 = VCC/2RL

t

vCE1 = VCC/2t

ATE-UO EC amp pot 08

Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (I)

Circuito básico

Rg

+

Polarización

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

+ -

ATE-UO EC amp pot 09

Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (II)

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

Realización física de la fuente de corriente

+

-

La tensión en la fuente de corriente debe ser la mostrada

+

-

ATE-UO EC amp pot 10

Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (III)

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-IB

iC

vCE

VCC/RL

VCC

Recta de carga en continua

Recta de carga en alterna con pendiente 1/RL

Elección del punto de trabajo para un valor de IC

Esta es la recta de carga de alterna con mayores niveles de tensión y corriente y compatible con tensión positiva en la fuente de corriente

ATE-UO EC amp pot 11

Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (IV)

t

vCE1

t

IC

VCC/RL

VCC

IB

iC

vCE

Recta de carga en continua

Recta de carga en alterna

PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC = Ic·RL/(2·VCC)

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-vCE1

Luego crece con IC y tiene el límite en IC = VCC/2RL.

ATE-UO EC amp pot 12

Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (V)

tvCE1

PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC = Ic·RL/(2·VCC)

Con IC = VCC/2RL, max= 1/4 = 25%.

¡Sigue siendo muy bajo!

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-vCE1

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

+

-

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-

+

-vCE1

t

IC

VCC/RL

VCC

IB

iC

vCE

Recta de carga en continua

Recta de carga en alterna

ATE-UO EC amp pot 13

Amplificador “Clase A” con polarización por resistencia de colector (I)

Circuito básico

Rg

+

Polarización

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -iC

iL

ATE-UO EC amp pot 14

Amplificador “Clase A” con polarización por resistencia de colector (II)

VCC

iC

IB

vCE

VCC/RL

Recta de carga en continua

iC1

vCE1

Punto de trabajo

Recta de carga en alterna con pendiente -(RC+RL)/(RL·RC)

¿Cómo debe elegirse RC para obtener rendimiento máximo?

¿Cuál será el rendimiento máximo?

No demostrado aquí: Condición de rendimiento máximo es

RC = 2·RL y max= 1/(6 + 4· 2) = 8,57%. ¡Aún mas bajo!

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -iC

iL

ATE-UO EC amp pot 15

Resumen de los amplificador “Clase A” (hasta ahora)

• Toda la componente de alterna de iC circula por la carga.

• Pero en la carga se disipa continua.

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiL

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiL

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -

RL

+ -iCiL

max= 8,57%Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

+

-

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-

+

-

max= 25%

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE

max= 25%

• Toda la componente de alterna de iC circula por la carga.

• Pero en la fuente de corriente se disipa continua.

• La componente de alterna de iC circula por la carga y por la resistencia de polarización.

• En la resistencia de polarización se disipa continua (además de alterna).

¿Podemos conseguir que en elemento de polarización no se disipe ni alterna ni continua?

ATE-UO EC amp pot 16

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (I)

Circuito básico

Rg

+

Polarización

Q1

LCH

VCC

+

-vCE RL

+ -iC

iRL

La bobina LCH debe presentar una impedancia mucho mayor que RL a la frecuencia de trabajo

ATE-UO EC amp pot 17

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (II)

Circuito equivalente al básico

Q1

LCH

VCC

+

-vCE RL

+ -iC

iRL

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iC

iRL

En ambos casos:

• Toda la componente de alterna de iC circula por la carga.

• En la bobina, obviamente, no se disipa potencia.

ATE-UO EC amp pot 18

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (III)

Otra posibilidad de realización física, pero con un grado de libertad más

Q1

Lm

VCC

+

-vCE

RL’

iC

iRL’

Es como el caso anterior:

• Toda la componente de alterna de iC circula por la carga (modificada por la relación de transformación del transformador).

• En el transformador, obviamente, no se disipa potencia.

Q1

VCC+

-vCE

RL

iC iRL

1:n

RL’ = RL/n2

iRL’ = iRL·n

ATE-UO EC amp pot 19

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (IV)

Circuito de estudio

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iC

iRL

VCC

iC

IB

vCE

Recta de carga en alterna con pendiente -1/RL

Recta de carga en continua

Punto de trabajo

¿Cómo debe elegirse el punto de trabajo para obtener el máximo rendimiento posible?

ATE-UO EC amp pot 20

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (V)

t

vCE

VCC

iC

IB

Recta de carga en continua

iC1

VCC+iC1·RLPRF = (ic1·RL)2/(2·RL)

PCC = ic1·VCC

= PRF/PCC = ic1·RL/(2·VCC)

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

La componente de alterna en el transistor es la misma que en la carga

El máximo valor de ic1·RL es ic1·RL = VCC y por tanto max= 1/2 = 50%.

¡Ha mejorado, pero sigue siendo bajo!

ATE-UO EC amp pot 21

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (VI)

VCC

Recta de carga en continuaiC

IB

vCE

2VCC

t

Situación con la máxima señal que se puede manejar

iC1=VCC/RL

2iC1

tQ1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

¿Cuál es el rendimiento cuando la señal es no es la máxima posible?

max= 50%.

ATE-UO EC amp pot 22

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (VII)

Situación con señal menor que la máxima que se puede manejar

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

VCC

Recta de carga en continuaiC

IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

Pend. -1/RL

tvCE

t

iC

PRF = (vCE)2/(2·RL)

PCC = VCC2/RL

= PRF/PCC = 0,5·(vCE/VCC)2

tvCE sat

VCC-vCE sat

(VCC-vCE sat)/RL

VCC

Recta de carga en continuaiC IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

Pend. -1/RL

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (VIII)

Con transistores reales (no idealizados)

PRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL)

PCC = VCC·(VCC-vCE sat)/RL

= 0,5·(VCC-vCE sat)/ VCC

ATE-UO EC amp pot 23

ATE-UO EC amp pot 24

Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (IX)

Señal modulada en amplitud

VCC

Recta de carga en continuaiC

IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

Pend. -1/RL

t

vp

vm

vce(mt, pt)

vce(mt, pt) = vCE(mt)·sen(pt)

vCE(mt) = vp[1 + m·sen(mt)]

m= vm/vp

(mt)= 0,5·[vCE (mt)/VCC]2

(mt)= 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m·sen(mt)]2

med= 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m2/2]

med maxvp = VCC/2, m = 1

med max= 0,125·[1 + 1/2] = 18,75%¡Vuelve a ser muy bajo!

Circuito resonante a la frecuencia de la señal de RF

ATE-UO EC amp pot 25

Amplificador “Clase B” con un único transistor (I)

Circuito básico

Rg

+

Polarización

iC

180º

Q1

L

VCC

+

-vCE

RL

+ -iC

iRL

C

VCC

+

-vRL

ATE-UO EC amp pot 26

Amplificador “Clase B” con un único transistor (II)

Equivalente

Equivalente (salvo para la tensión sobre la fuente)

iC

180ºQ1

L

VCC+

-vCE

RLiC

iRL

C

+

-

vRL

iC

180º

iC L

RLC

iRL

+

-

vRL

iC

180º

Q1

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iC

iRL

C

VCC

+

-vRL

iCL RL

C +

-vRL

ATE-UO EC amp pot 27

Amplificador “Clase B” con un único transistor (III)

IC iCpico/IC

180º

iCcaiCpico(1-1/)

iCca

Circuitos equivalentes (I)

No genera tensión en la carga

iC

L RL

CiC

180º

iCpico

+

-vRL

ATE-UO EC amp pot 28

Amplificador “Clase B” con un único transistor (IV)

L RL

C +

-vRL

iCca(t) iRL(t)

Circuitos equivalentes (II)

180º

iCcaiCpico(1-1/)

iCca1iCpico/2=

iCca1

+ Armónicos

Arm. Los armónicos se cortocircuitan por el condensador

iCca1 (t) = (iCpico/2)·sen(t)

vRL(t) = RL·iRL(t) = -RL·iCca1(t)

vRL(t) = -RL·(iCpico/2)·sen(t)iCca1

iCpico/2

iCca1

RL

+

-vRL

iRL

vCE

iC

IB

ATE-UO EC amp pot 29

Amplificador “Clase B” con un único transistor (V)

Rectas de carga, punto de trabajo (estático) y excursión

del punto de trabajo

iC

180º

Q1

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iC

iRL

C

VCC

+

-vRL

VCC

Recta de carga en continua

Pendiente 0

Pendiente -2/RL

2·VCC/RL

tvCE

180ºt

iCpico

Punto de trabajo

Llamamos vce a la componente de alterna

de vCE. Entonces:

vce(t) = vRL(t) = -RL·(iCpico/2)·sen(t)

vce(t) = -(RL /2)·iCpico·sen(t) = -(RL /2)·iC

Por tanto:

vCE = iCpico·RL/2

ATE-UO EC amp pot 30

Amplificador “Clase B” con un único transistor (VI)

Cálculo del rendimiento máximo posible

vCE =

iCpico·RL/2

vCE

iC

IB

VCC

Recta de carga en continua

Pendiente 0

Pendiente -2/RL

2·VCC/RL

tvCE

180ºt

iCpico

Punto de trabajo

Q1

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

Q1

L

VCC

+

-

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-

+

-vRL

PRF = (vCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL)2/(8·RL)

PCC = VCC·iCpico/

= PRF/PCC = iCpico·RL·/(8·VCC)

El máximo valor de iCpico es iCpico max = 2·VCC/RL y por tanto:

max= /4 = 78,5% ¡Ha mejorado notablemente!

iCpico/

ATE-UO EC amp pot 31

Amplificador “Clase B” con un único transistor (VII)

180ºt

Q1

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

Q1

L

VCC

+

-

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-

+

-vRL

max= /4 = 78,5%

Situación con la máxima señal que se puede manejar

2·VCC/RL

vCE

iC

IB

VCC

Recta de carga en continua

2·VCC

t

ATE-UO EC amp pot 32

Amplificador “Clase B” con un único transistor (VIII)

Cálculo de la potencia máxima disipada en el transistor, PTr

PRF = (iCpico·RL)2/(8·RL)

PCC = VCC·iCpico/

PTr = PCC - PRF

PTr = VCC·iCpico/ - (iCpico·RL)2/(8·RL)

PTr tiene un máximo en:

iCpico PTmax = 4·VCC/(·RL)

Nótese que:

iCpico PTmax < iCpico max = 2·VCC/RL

PTrmax = 2·VCC2/(2·RL)

La potencia máxima de RF es:

PRF max = (iCpico max·RL)2/(8·RL)

PRF max = VCC2/(2·RL)

Por tanto:

PTrmax = 4·PRF max/2 = 0,405·PRF max

iCpico/

vCE

iC

IB

VCC

Recta de carga en continua

2·VCC/RL

t vCE

180ºt

iCpico

Con transistores reales (no idealizados)

PRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL)

PCC = VCC·2·(VCC-vCE sat)/(·RL)

= ·(VCC-vCE sat)/(4·VCC)

= 0,785·(VCC-vCE sat)/VCC ATE-UO EC amp pot 33

Amplificador “Clase B” con un único transistor (IX)

VCC

Recta de carga en continuaiC IB

vCE

2VCC

2·VCC/RLPendiente-2/RL

tvCE sat

VCC-vCE sat

2·(VCC-vCE sat)/RL

180ºt

ATE-UO EC amp pot 34

Amplificador “Clase B” con un único transistor (X)

Señal modulada en amplitud

vCE

iC

IB

VCC

Recta de carga en continua

Pendiente 0

Pendiente -2/RL

2·VCC/RL

Punto de trabajo

vCE(mt) = vp[1 + m·sen(mt)]

m= vm/vp

PRF = [vCE(mt)]2/(2·RL)

PCC = VCC·iCpico(mt)/

vCE(mt)= iCpico(mt)·RL/2

PCC = VCC·2·vCE(mt)/(·RL)

= PRF/PCC = ·vCE(mt4·VCC)

= 0,785·vp[1 + m·sen(mt)]/VCC

med = 0,785·vp/VCC

med maxvp = VCC/2 med max= 39,26%

t

vCE(mt)

iCpico(mt)

vp

vm

ATE-UO EC amp pot 35

Amplificador “Clase B” con dos transistores (I)

Circuito básico: Montaje en contrafase o Push-Pull (I)

RL’ = RL/n2

Rg

+

Q1

VCC

+

-vRL

RL

iC1

iRL

1:1:niC2

+

-vCE1

+

-

vCE2

+ -

Q2

Polarización

ATE-UO EC amp pot 36

Amplificador “Clase B” con dos transistores (II)

Circuito básico: Montaje en contrafase o Push-Pull (II)

iB1

180ºQ1

VCC

iC1

iC2

+

-vCE1

+

-

vCE2

Q2

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

iB1

iB2

iB2

180º

iC1

180º

iC2

180º

iRL

IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC

vCE1

iC1

IB1

VCC/RL’

ATE-UO EC amp pot 37

Amplificador “Clase B” con dos transistores (III)

Circuito básico: Montaje en contrafase o Push-Pull (III)

iC1

180º

iC2

180º

+VCC

iC1

iC2

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

iRL

RL’ = RL/n2

iC1

180º

iC1

180º

iC2

180º

iC2

180º

+VCC

iC1

iC2

+

-vRL

+

-

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

iRLiRL

RL’ = RL/n2

Recta de carga en continua

Pendiente -1/RL’

t

iCpico

t

iCpico

Punto de trabajo

ATE-UO EC amp pot 38

Amplificador “Clase B” con dos transistores (IV)

Cálculo del rendimiento máximo posible

PRF = iCpico2·RL’/2

PCC = 2·VCC·iCpico/

= iCpico·RL’·/(4·VCC)

= 0,785·iCpico·RL’/VCC

Como:

iCpico max = VCC/RL’, entonces:

max= /4 = 78,5%

Como en el caso de un transistor

IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC

vCE1

iC1

IB1

VCC/RL’

Recta de carga en continua

Pendiente 1/RL’

t

iCpico

t

iCpico

Punto de trabajo

IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

IB1

iC2

vCE2

IB1

iC2

IB1IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC

vCE1

iC1

IB1

VCC/RL’

VCC

vCE1

iC1

IB1

VCC/RL’

vCE1

iC1

IB1

vCE1

iC1

IB1

iC1

IB1IB1

VCC/RL’

Recta de carga en continua

Recta de carga en continua

Pendiente 1/RL’

Pendiente 1/RL’

t

iCpico

t

iCpico

t

iCpico

t

iCpico

t

iCpico

t

iCpico

t

iCpico

t

iCpico

Punto de trabajoPunto de trabajoPunto de trabajo

ATE-UO EC amp pot 39

max= 78,5%

Situación con la máxima señal que se puede manejar

Amplificador “Clase B” con dos transistores (V)

Q1

VCC

iC1

iC2

+

-vCE1

+

-

vCE2

Q2

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

Q1

VCC

iC1

iC2

+

-vCE1

+

-

+

-vCE1

+

-

vCE2

+

-

+

-

vCE2

Q2

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

+

-vRL

+

-

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

VCC

vCE1

iC1

IB1

Recta de carga en continua

IB1

iC2

vCE2

Punto de trabajo

VCC/RL’

t

VCC/RL’

t

ATE-UO EC amp pot 40

Ganancia de los amplificadores “Clase A” con bobina, “Clase B” con un transistor y “Clase B” con dos transistores

Por comodidad, calculamos la “Transresistencia” vRL/iB

En todos los casos: vRL= VCC, iB = iC/

2·VCC/RL

vCE

iC

IB

VCC 2·VCC

iC

2·VCC/RL

vCE

iC

IB

vCE

iC

IB

vCE

iC

IB

vCE

iC

IB

vCE

iC

IB

iC

IBIB

VCC 2·VCC

iC

Clase B,

1 Trans.

VCC

vCE1

iC1

IB1

IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC/RL’

iC

iC

VCC

vCE1

iC1

IB1

IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC/RL’

VCC

vCE1

iC1

IB1

vCE1

iC1

IB1

iC1

IB1IB1

IB1

iC2

vCE2

IB1

iC2

IB1IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC/RL’

iC

iC

Clase B,

2 Trans.

vRL/iB = RL·

vRL/iB = RL·/2 vRL/iB = RL’·n·

Clase AVCC

iC

IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

1/RLiC

VCC

iC

IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

1/RLiC

ATE-UO EC amp pot 41

Comparación entre amplificadores “Clase A”, “Clase B” con un transistor y “Clase B” con dos transistores

AmplificadorRendimiento

máximoGanancia de

tensiónImpedancia de

entrada iCmax Banda

Clase A 50% RL·/rBE Lineal 2·VCC/RL Ancha

Clase B,

1 transistor78,5% RL·/(2·rBE) No lineal 2·VCC/RL Estrecha

Clase B,

2 transistores78,5% RL’·n·/rBE

LinealVCC/RL’ Ancha

rBE = resistencia dinámica de la unión base-emisor

RL’ = RL/n2

Circuitos de polarización en clases A y B

A la base del transistor

+VCC

Polarización

D

R

LCH

C

P

A la base del transistor

+VCC

ATE-UO EC amp pot 42

0

iB

VBE

Clase B

Clase ASobra en el caso del Push-Pull

Circuito resonante

ATE-UO EC amp pot 43

Amplificadores “Clase C”

Circuito básico

Rg

+

Polarización

Q1

L

VCC

+

-vCE

RL

+ -iC

iRL

C

VCC

+

-vRL

¿Se puede el rendimiento máximo teórico mayor que el 78,5%?

¿Qué hay que sacrificar?

iC

< 180º

ATE-UO EC amp pot 44

Amplificadores “Clase C” lineales (I)

¿Cómo conseguir un ángulo de conducción menor de 180º ?

VB+vBE

t

tC

Rg

+

+

-vCE

iC

vg

VB

+

-vBE

iB

iB

vg

¿Cómo conseguir proporcionalidad entre iB y vg?

vBE

rBE

Amplificadores “Clase C” lineales (II)

iB = 0• Si t < (-C)/2 o t > (+C)/2,

iB =Rg+rBE

Vg pico·sen(t) – (VB + vBE)• Si (-C)/2 < t < (+C)/2,

Para conseguir proporcionalidad

entre iB y vg debe cumplirse:

- Que VB+vBE varíe

proporcionalmente a Vg pico.

- Que C no varíe.

Relaciones entre variables:

• vg = Vg pico·sen(t)

• C = 2·arcos[(VB + vBE)/Vg pico]

ATE-UO EC amp pot 45

VB+vBE

t

t

vg

C

iB

ATE-UO EC amp pot 46

Amplificadores “Clase C” lineales (III)

Rg

+

+

-vCE

iC

vg

VB

+

-vBE

iB

+ -

RB

CB

VB = (Vg pico – vBE)·RB/(RB + Rg + rBE)

VB + vBE = Vg pico·RB/(RB + Rg + rBE) + vBE·(Rg + rBE)/(RB + Rg + rBE)

Si Vg pico·RB >> vBE·(Rg + rBE), entonces:

VB + vBE Vg pico·RB/(RB + Rg + rBE) es decir, proporcionalidad.

¡Ojo! como: vg = VB + vBE + (Rg + rBE)·iB si vg >> vBE

Pequeña ganancia.

Realización física

vBE = vBE + iB·rBE

vBE

rBE

ATE-UO EC amp pot 47

Amplificadores “Clase C” lineales (IV)

C = 2·arcos[(VB + vBE)/Vg pico]

Entonces:

iB = [sen(t) – cos(C/2)]· Vg pico/(Rg+rBE)

y, por tanto:

iC = [sen(t) – cos(C/2)]··Vg pico/(Rg+rBE)

El valor de pico vale:

iCpico = [1 – cos(C/2)]··Vg pico/(Rg+rBE)

Es decir:

iB =Rg+rBE

Vg pico·sen(t) – (VB + vBE)

Como:

iC = iCpico· 1 – cos(C/2)

sen(t) – cos(C/2)

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

L

VCC

+

-

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-

+

-vRL

iC

c

ICpico

ATE-UO EC amp pot 48

Amplificadores “Clase C” lineales (V)

ICiCca1

iCL RL

C +

-vRL

Arm.

iC = iCpico· 1 – cos(C/2)

sen(t) – cos(C/2)

IC = ·1 – cos(C/2)

sen(C/2) – (C/2)·cos(C/2)iCpico

• Componente de continua:

C– senC iCpicoiCca1(t) = · ·sen(t)

1 – cos(C/2)2• Primer armónico:

• Resto de armónicos

El resto de armónicos se cortocircuitan por el condensador

ATE-UO EC amp pot 49

Circuito equivalente de alterna

Por tanto:

vRL(t) = -RL·iCca1(t)

vce(t) = vRL(t) = -RL·iCca1(t)

iCca1(t)

RL

+

-vRL

Amplificadores “Clase C” lineales (VI)

iCca1(t)

t

vce = -RL· sen(t)·1 – cos(C/2)

C– senC iCpico

2Es decir:

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

L

VCC

+

-

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-

+

-vRL

C– senC iCpicoiCca1(t) = · ·sen(t)

1 – cos(C/2)2

vce = - · iCpico·sen(t)1 – cos(C/2)

C– senC RL

2

Pend. -1/RL’

vCE

iC

IB

ATE-UO EC amp pot 50

Rectas de carga, punto de trabajo (estático) y excursión

del punto de trabajo

Recta de carga

tvCE

VCC

Recta de carga en continua

Amplificadores “Clase C” lineales (VII)Como:

vce = - · iCpico·sen(t)1 – cos(C/2)

C– senC RL

2Entonces:

vCE = · iCpico1 – cos(C/2)

C– senC RL

2

Es decir:vCE = RL’·iCpico

RL’ = ·1 – cos(C/2)

C– senC RL

2

siendo:

Ct

iCpico

-C

2

vCE0

Cálculo de vCE0:

vCE0 = VCC – vCE·cos(C/2)

Valor de la pendiente de la “recta de carga”:

-1/[RL’·(1 – cos(C/2)]

ATE-UO EC amp pot 51

Cálculo del rendimiento máximo posible (I)

PRF = (vCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL’)2/(2·RL)

iCpico max = vCE0 min/[RL’·(1 – cos(C/2)] = [VCC(1 – cos(C/2))]/[RL’·(1 – cos(C/2)] iCpico max = VCC/RL’

IC

Amplificadores “Clase C” lineales (VIII)

iC

vCE

IBPendiente-1/[RL’·(1 – cos(C/2)]

tvCE

VCC

Ct

iCpico

-C

2

vCE0

PCC = VCC·IC

RL’ = ·1 – cos(C/2)

C– senC RL

2

= PRF/PCC

IC =·[1 – cos(C/2)]

sen(C/2) – (C/2)·cos(C/2)·iCpico

4·VCC·[sen(C/2) – (C/2)·cos(C/2)]

iCpico·RL’·[C– senC]= PRF/PCC =

Luego crece con iCpico. Calculamos el valor máximo:

ATE-UO EC amp pot 52

Cálculo del rendimiento máximo posible (II)

Amplificadores “Clase C” lineales (IX)

4·[sen(C/2) – (C/2)·cos(C/2)]

[C– senC]max=

Sustituyendo iCpico por iCpico max:

100

90

80

70

60

500 90 180 270 360

max [%]

C [º]

100

90

80

70

60

500 90 180 270 360

100

90

80

70

60

500 90 180 270 360

max [%]

C [º]

IC

iC

vCE

IB

Pendiente-1/[RL’·(1 – cos(C/2)]

tvCE

VCC

Ct

iCpico max

-C

2

vCE0

Pend. -1/RL’

2·VCC

Situación con la máxima señal que se puede manejar

Clase A

Clase B

Clase C (ejempl.)

4·VCC·[sen(C/2) – (C/2)·cos(C/2)]

(VCC - vCE sat)·[C– senC]max real=

Rendimiento máximo real:

ATE-UO EC amp pot 53

Linealidad: Difícil, sacrificando ganancia.

Rendimiento máximo: Alto, 80-90 %.

Ganancia: Baja.

Impedancia de entrada: Muy no lineal.

Corriente de colector: Picos altos y estrechos.

Ancho de banda: Pequeño.

Amplificadores “Clase C” lineales (X)

Resumen de características:

Amplificadores “Clase C” “muy no lineales” (I)

Circuito resonante

ATE-UO EC amp pot 54

L

VCC

+

-vCE

RL

+ -iC

iRL

C

VCC

+

-vRL

El transistor trabaja “casi” en conmutación

iC

• El circuito resonante resuena

libremente y repone la energía que

transfiere a la carga en los periodos

de conducción del transistor.

• El valor de pico de la tensión de

salida es aproximadamente el valor

de la tensión de alimentación:

vRL = VCC·sen(t)

• El rendimiento es bastante alto.

iC

L RL

C +

-vRLVCC

Amplificadores “Clase C” “muy no lineales” (II)

ATE-UO EC amp pot 55

Modulador de amplitud

Q1

L

VCC

+

-vCE

RL

+ -iC

C

VCC’

+

-vRL

+-

Amplificador de potencia

de BF

VCC’

+

-

vtr

iC

vRL

vtr

VCC’ = VCC+vtr

vCC’

vCC

Amplificadores “Clase D” (I)

+

-vRL

D1

RL

L

C

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

iL

vRL

ATE-UO EC amp pot 56

Circuito básico

vAVCC/2

-VCC/2

Amplificadores “Clase D” (II)

L +

-vRL

D1

RL

C

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

ATE-UO EC amp pot 57

vAVCC/2

-VCC/2= + Armónicos

vRL

vRL

vRL = (VCC/2)·4/= 2·VCC/

Luego la tensión de salida es proporcional

a la alimentación Puede usarse como

modulador de amplitud.

Análisis

• Menor frecuencia de operación debido a que los transistores trabajan en conmutación.

L +

-vRL

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

L +

-vRL

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

+

-vRL

+

-

+

-vRL

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

+

-

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

Amplificadores “Clase D” y amplificadores “Clase E” (I)

ATE-UO EC amp pot 58

iC1

iC2

vA

iL

Clase D Clase EvAiL

iC1

iC2

iD2

iD1

vA

iL

Conmutación forzada en los diodos: salen de conducción cuando entran los transistores en conducción.

Conmutación natural en los diodos: salen de conducción cuando se invierte la corriente por resonancia.

Ejemplo de esquema real de amplificador de potencia (obtenidos del ARRL Handbook 2001)

Amplificador lineal Clase B en Push-Pull

ATE-UO EC amp pot 59

Polarización

Push-Pull

Filtro pasa-bajos