amplificadores de potencia

60
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

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Page 1: Amplificadores de potencia

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

Page 2: Amplificadores de potencia

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

Page 3: Amplificadores de potencia

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

Page 4: Amplificadores de potencia

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

Page 5: Amplificadores de potencia

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.

Page 6: Amplificadores de potencia

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

Page 7: Amplificadores de potencia

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

Page 8: Amplificadores de potencia

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

Page 9: Amplificadores de potencia

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

+ -

Page 10: Amplificadores de potencia

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

+

-

Page 11: Amplificadores de potencia

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

Page 12: Amplificadores de potencia

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.

Page 13: Amplificadores de potencia

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

Page 14: Amplificadores de potencia

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

Page 15: Amplificadores de potencia

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

Page 16: Amplificadores de potencia

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?

Page 17: Amplificadores de potencia

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

Page 18: Amplificadores de potencia

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.

Page 19: Amplificadores de 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

Page 20: Amplificadores de potencia

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?

Page 21: Amplificadores de potencia

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!

Page 22: Amplificadores de potencia

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%.

Page 23: Amplificadores de potencia

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

Page 24: Amplificadores de potencia

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

Page 25: Amplificadores de potencia

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!

Page 26: Amplificadores de potencia

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

Page 27: Amplificadores de potencia

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

Page 28: Amplificadores de potencia

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

Page 29: Amplificadores de potencia

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

Page 30: Amplificadores de potencia

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

Page 31: Amplificadores de potencia

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/

Page 32: Amplificadores de potencia

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

Page 33: Amplificadores de potencia

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

Page 34: Amplificadores de potencia

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

Page 35: Amplificadores de potencia

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

Page 36: Amplificadores de potencia

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

Page 37: Amplificadores de potencia

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

Page 38: Amplificadores de potencia

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

Page 39: Amplificadores de potencia

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

Page 40: Amplificadores de potencia

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

Page 41: Amplificadores de potencia

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

Page 42: Amplificadores de potencia

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

Page 43: Amplificadores de potencia

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

Page 44: Amplificadores de potencia

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

Page 45: Amplificadores de potencia

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

Page 46: Amplificadores de potencia

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

Page 47: Amplificadores de potencia

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

Page 48: Amplificadores de potencia

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

Page 49: Amplificadores de potencia

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

Page 50: Amplificadores de potencia

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

Page 51: Amplificadores de potencia

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)]

Page 52: Amplificadores de potencia

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:

Page 53: Amplificadores de potencia

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:

Page 54: Amplificadores de potencia

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:

Page 55: Amplificadores de potencia

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

Page 56: Amplificadores de potencia

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

Page 57: Amplificadores de potencia

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

Page 58: Amplificadores de potencia

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.

Page 59: Amplificadores de potencia

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.

Page 60: Amplificadores de potencia

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