amplificadores lineales de potencia para rf · amplificador clase a 8. 9 uso de los amplificadores...

AMPLIFICADORES LINEALES

DE POTENCIAPARA RF

1

2

Principios básicos

Se usan cuando es necesario un buen rendimiento y potencia y la señal de entrada es suficientemente grande.

Se verán los clase A y B.

Tienen ganancia de potencia apreciables

Producen una réplica aceptable de la señal de entrada

Su carga es un circuito sintonizado (resonante RLC)

Se requiere supresión de armónicas no deseadas

Se usan en la etapa de salida de los transmisores de AM, BLU y otros que requieren de amplificación lineal de amplitud y fase.

La potencia de salida se mide sobre una carga de 50Ω (antena)

Amplificadores lineales: la forma de onda de la tensión de salida vO es

proporcional a la de entrada vS.

Amplificadores no lineales: la forma de onda de la tensión de salida vO

no es proporcional a la de entrada vO.

2

Principios básicos

Pe

RF

o

in

P

P

Características fundamentales de los AP RF :

La señal de excitación es grande

Trabaja a frecuencias elevadas

Debe proporcionar potencias de salida elevadas (~30dBm)

Es muy importante maximizar rendimiento

Se busca tamaño y costo mínimos

3

Amplificador Clase A 4

IC [mA]

VCE [V]

CCV

QCI

2 CC

L

V

R

mCLR iɵ

cmvɵ

Cmiɵ

2 CCV

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

En la bobina, no se disipa potencia.

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

El capacitor CA2 impide que el colector esté a masa para la componente de continua.

5

maxcm CC

Cm CQ

L L

v Vi I

R R ɵ

ɵ

maxmax .CmCm L CCV i R V ɵ

( ) CmCQic t I i sen t ɵ

( ) . CmLvo t R i sen t ɵ

( ) CmC ccv t V v sen t ɵ

Condiciones máximas:

Volver a ejemplo

Amplificador Clase A

CCV

QCI

2 CC

L

V

R

QL CR I

cmvɵ

Cmiɵ

2 CCV

1

L

mR

5

Amplificador Clase A 6

2

. CCin CC CC DC

L

VP P V I

R

POTENCIA DE SALIDA:

POTENCIA DE ENTRADA:

2

2

Cm

O

L

vP

Rɵ

22

2

CmCCdis

L L

V vP

R R

ɵ

2

CCdismáx

L

VP

R

POTENCIA DISIPADA:

2

L

Vcc

R

Vcc

2

2 L

Vcc

R

dismáx inP P

2

2

CCO máx

L

VP

R

CCDC

L

VI

R

7

ESPECIFICACIONES DEL TRANSISTOR Q1:

DISEÑO BOBINA DE CHOQUE LCH:

VCE Máx = 2VCC

IC Máx =2VCC/RL

Pd Máx= Pin=VCC2/ RL

CHLX 100

CHL L

L

X R

R

RENDIMIENTO:

2

2

1

2

CmO

in CC

P v

P V

ɵ 150%

2máx

Amplificador Clase A7

8

DISEÑO CAPACITOR DE SALIDA:

2Se adopto

100

A

A

C L

LC

X R

RX

DISEÑO CAPACITOR DE ENTRADA:

2Se adopta

100

A

A

C in ie

inC

X Z h

ZX

DISEÑO CIRCUITO TANQUE:

2

0

0 0

. . 1

L

LC

f LQ

AB R

Generalmente se

adopta el AB y luego

se calcula L y C


9

Uso de los Amplificadores clase A

*Los amplificadores de potencia de RF en clase A se usan mas comúnmente como amplificadores de excitación en bajo nivel . En estas aplicaciones la potencia consumida por el amplificador clase A es una porción relativamente pequeña de la potencia total del transmisor.

*Los amplificadores de potencia clase A se utilizan para amplificar señales de frecuencias de microondas, donde resulta difícil emplear otras clases de amplificación.


10

Problema: Diseñe un amplificador clase A sintonizado con una potencia de

salida de 2W sobre una carga de 50Ω a 15 MHz. Para ello dispone de una

fuente de 12V.

2

2. . 14,142.

cmcmo L o

L

vP v R P V

R ɵ

ɵ cm ccv V ɵ

Se debe adaptar impedancia: Red adaptadora de

impedancias o acoplar la carga con transformador

No cumple con las condiciones de máximos!!!!!!

2

2 2

1 1

7

´ 6

L

L

R N N

R N N

≃

2

2 ´ 362 ´

CCO máx L

L

VP W R

R

Coma el secundario está sintonizado, sobre el primario solo se refleja la parte resistiva

Amplificador Clase A acoplada con transformador10

Amplificador Clase A acoplada con transformador 11

. 4 0,34inin CC CC DC DC

CC

PP P V I W I A

V

Especificaciones de la fuente:

Como se requiere potencia de salida de 2 W, y es un clase A

acoplado a transformador:

50% 2 4O

máx in O

in

PP P W

P

ESPECIFICACIONES DEL TRANSISTOR Q1:

VCE Máx = 2VCC=24V

IC Máx =2VCC/R´L=1,33A

Pd Máx= Pin=VCC2/ RL =4W

DISEÑO CIRCUITO TANQUE: 2 0 0

0 . . 1L

f LLC Q

AB R

Amplificador Clase B con un único transistor 12

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

L y C resuenan a la frecuencia de trabajo.

iC180º

iC

180º

Equivalente

CCV

2 CC

L

V

R

RLLR iɵ

CEv

Ciɵ

2 CCV

2

L

mR

max

2 CCCm

L

Vi

Rɵ

max .Cm RL L CCv i R V ɵ ɵ

Condiciones máximas:

13

Clase B con un único transistor

CCV

2 CC

L

V

R

RLLR iɵ

CEv

Ciɵ

2 CCV

2

L

mR

Ciɵ

11Ci

ɵ

OCiɵ2

Ciɵ

Ciɵ

Ci

ɵ

Ciɵ1

1Ci

ɵ

13


CCV

2 CC

L

V

R

RLLR iɵ

CEv

CpicoI

2 CCV

2

L

mR

Si vce es la componente de alterna de vCE. Entonces:

Por tanto:

( ) ( )2

C

ce RL L

iv t v t R sen t

ɵ

2CE

LC

Rv i ɵ ɵ

2

LCce

Rv i ɵ

Como el máximo valor de iCpico es:

CCV

2 CC

L

V

R

L RLR I

CEv

CpicoI

2 CCV

2

L

mR

CpicoI

22

2

2 8 8

C L CCEo RF L

L L

i Rv iP P R

R R

ɵ ɵ

C

CC CC

iP V

ɵ

8

Co L

CC CC

P i R

P V

ɵ

max 78,5%4

max

2 CCCm

L

Vi

Rɵ

y por tanto:

15

CCV

2 CC

L

V

R

L RLR I

CEv

CpicoI

2 CCV

2

L

mR

CpicoI

Cuando:

Nótese que:

iCpico Pdmax < iCpico max = 2·VCC/RL

La potencia máxima de salida es:

Por tanto:

C

CC CC

iP V

ɵ

2

8

C CLd CC o CC

i R iP P P V

ɵ ɵ

4 CCC

L

Vi

Rɵ 2

max 2

2 CCd

L

VP

R

2

max2

CCo

L

VP

R

maxmax max2

40,405O

d O

PP P

2

8

C

o RF L

iP P R

ɵ

16


GRAFICO DE POTENCIAS Y RENDIMIENTO

2 CCV

CCV

2

2

CC

L

V

R

2

2

2 CC

L

V

R

22 CC

L

V

R

Amplificador Clase B con un único transistor

Con transistores reales (no idealizados)

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

2

max2

CC CESat

o RF

L

V VP P

R

2

CC CESat

CC CC

L

V VP V

R

4

CC CESatO

in CC

V VP

P V

18

AMPLIFICADOR CLASE B PUSH-PULL

Se usan en aplicaciones lineales de mediana y alta potencia.

iB1

180º

iB2

180º

iC1

180º

iC2

180º

iRL

19

20

Principios de funcionamiento clase B

Los dos transistores se excitan desfasados 180°

Cada uno está activo durante medio ciclo

Cuando están en región activa, se comportan como fuente

de corriente

Debido a que la corriente de colector es nula cuando la

tensión VCE es máxima, su rendimiento es alto.

Cada TBJ amplifica medio ciclo de la señal de entrada.

Una vez amplificada eficientemente, la señal es

ensamblada.

Durante un semiciclo dado, medio devanado de T1 lleva

corriente. Al siguiente semiciclo, el otro medio devanado

lleva corriente

20

Principios del clase B PUSH-PULL

iRL

iC1

180º

iC2

180º

Cm CCV V

´

CCCm

L

VI

R

21

´

CC

L

V

R

1

´Lm

R

1Cmiɵ

CEV

CI

CEV

CI

2Cmiɵ

´

CC

L

V

R

CCV

Cmvɵ

Amplificador Clase B

Formas de onda

Corriente de salida:

Tensión sobre la carga:

(tensión en el secundario de T1)

( ) Om Cmo

mi t i sen t i sen t

n ɵ ɵ

( ) Cm Omo L

mv t R i sen t v sen t

n ɵ ɵ

Tensión en el primario de T1:

Tensión en el colector de Q1:

´ ( ) Cmo CCv t V v sen t ɵ

2

´Om Cm CmCm L

m mV v i R i R

n n

ɵ ɵ ɵCm CCv Vɵ

22

23

Amplificador clase B PUSH-PULL

2

´

CCCmin

L

VP v

R ɵ

POTENCIA DE SALIDA:

POTENCIA DE ENTRADA:

2

2 ´

Cm

O

L

vP

Rɵ

2 2

´

Cm Cm

DC

L

i vI

R ɵ ɵ

.in CC CC DCP P V I

2 2

22 ´

2

CC CCOmáx

L

L

V VP

R mR

n

Suponemos que el

rendimiento del

transformador es del 100%

23

24

Amplificador clase B PUSH-PULL

RENDIMIENTO:

4

CmO

in CC

P v

P V

ɵ

78,5%4

máx

POTENCIA DISIPADA:

D in OP P P

2

2

´ ´

OmCCOmD

V vP v

R R

ɵɵ

Para calcular la máxima potencia disipada:

22 0

´ ´

OmCCD

Om

VP v

R RV

ɵ 20,636.Om CC CCv V V

ɵ

24


Potencia que deben disipar entre ambos

transistores (cada transistor debe poder

disipar la mitad)

2

2

2

´

CCDMAX

VP

R

Cuando la señal de entrada vale 0,66Vcc, los transistores están

más exigidos, ya que a este valor de tensión ocurre la máxima

disipación

Pin

vcm

Po

Pd

2CCV

CCV

Rendimiento Potencia

50%

2

2 ´

CCV

R

2

2

2

´

CCV

R

78,5%

GRAFICO DE POTENCIAS Y RENDIMIENTO

25


ESPECIFICACIONES DE LOS TRANSISTORES Q1 y Q2:

2

2

2

´

2

´

CEMAX CC

CCCMAX

L

CCDMAX

L

V V

VI

R

VP

R

En la práctica, la operación real de los clase A y B, se aleja de la estudiada,

ya que existen:

1)Tensiones de saturación: Pueden ser de

hasta 2V. Disminuye el rendimiento

pronosticado, la tensión máxima de salida,

potencia de salida, y corrientes de salida y

entrada serán menores que la previstas

Consideraciones prácticas

Cm CC Satv V V ɵ

4

O CC Sat

in CC

P V V

P V

26

Consideraciones Prácticas

2) Cargas Reactivas: Si el tanque no está perfectamente

sintonizado (desintonía) , impedancia del trafo no despreciable,

variación de la Z del filtro con la frecuencia, variaciones de

impedancia de antena.

Provocará disminución del rendimiento y aumento de la Potencia

disipada.

3) Resistencia de saturación: limita la salida máxima

4) Distorsión por intermodulación

5) Distorsión por cruce

6) Distorsión por falta de linealidad para grandes corrientes

7) Modulación por capacidad parásita de colector.

27

0

iB

VBE

Clase B

Clase A

Circuitos de polarización en clases A y B

Se usa un diodo de construcción similar a la

del transistor de potencia de RF sobre el

disipador de calor y polarizando con una

corriente constante.

Sobra en el caso del Push-Pull

28

Consideraciones Prácticas

Fuentes de Polarización

La tensión VBE cambia 2mV/°C.

Para evitar el embalamiento térmico, es necesario un circuito que

disminuya la VBE cuando aumenta °C

Se trabaja como si fuera

una fuente de corriente,

pues el TBJ amplifica

proporcionalmente a IB (

y no a VBE)

29

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