amplificadores de potencia
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Electrónica de ComunicacionesCONTENIDO RESUMIDO:1- Introducción2- Osciladores3- 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
20t
iC
20t
iC
20t
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
tvCE1
tiC1
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)
tvCE1
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 = 1med 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/) iCca1 iCpico/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 = VCC
2/(2·RL)Por tanto:PTrmax = 4·PRF max/2 = 0,405·PRF max
iCpico/
vCE
iC
IB
VCC
Recta de carga en continua2·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
t vCE 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
180º Q1
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 manejarAmplificador “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
iCIB
VCC 2·VCC
iC
2·VCC/RL
vCE
iCIB
vCE
iCIB
vCE
iCIB
vCE
iCIB
vCE
iCIB
iCIBIB
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 A VCC
iCIB
vCE
2VCC
2·VCC/RL
1/RLiC
VCC
iCIB
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
Amplificador Rendimiento máximo
Ganancia de tensión
Impedancia de entrada iCmax Banda
Clase A 50% RL·/rBE Lineal 2·VCC/RL Ancha
Clase B,1 transistor 78,5% RL·/(2·rBE) No lineal 2·VCC/RL Estrecha
Clase B,2 transistores 78,5% RL’·n·/rBE
Lineal VCC/RL’ Ancha
rBE = resistencia dinámica de la unión base-emisorRL’ = 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)
IC iCca1iC
L 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
vCE0Cálculo 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
RLC
+VCC
iC2
D2
Q1
Q2
iC1
iD2
iD1
A
+
-vA
iL
+ -
VCC/2
ATE-UO EC amp pot 57
vAVCC/2
-VCC/2 = + Armónicos
vRLvRL
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
vAiL
Clase D Clase EvAiL
iC1
iC2
iD2
iD1
vAiL
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