El Amplificador

En este parte se considera el dise�o de amplificadores de potencia. El prop�sito del amplificador de potencia es proporcionar una tensi�n de salida con m�xima excursi�n sim�trica sin distorsi�n a una baja resistencia de carga. En la pr�ctica, un sistema puede consistir en varias etapas de amplificaci�n, la �ltima de las cuales suele ser un amplificador de potencia. La carga alimentada por este amplificador de potencia puede ser un altavoz un excitador, un solenoide o alg�n otro dispositivo anal�gico. La entrada al sistema es una se�al peque�a que se amplifica a trav�s de etapas de ganancia de tensi�n. La salida de las etapas de ganancia de tensi�n tiene la suficiente amplitud para alimentar el amplificador de potencia de la salida.

En esta parte iniciamos con la presentaci�n de las diferentes t�cnicas de polarizaci�n que conducen a la operaci�n en Clase A, Clase B, Clase AB y Clase C. En seguida se analizan los circuitos amplificadores espec�ficos y los efectos de las diferentes configuraciones de acoplamiento. En particular, se estudian los amplificadores con acoplamiento inductivo, capacitivo y por transformador, y se proporcionan diferentes ejemplos de dise�o.

El an�lisis de la fuente regulada con diodo Zener del se extiende para incluir la utilizaci�n de transistores de potencia. Esto permite la regulaci�n sobre un intervalo m�s amplio de entradas y salidas. Tambi�n se analiza brevemente el regulador de CI.

Los amplificadores de potencia se clasifican de acuerdo con el porcentaje de tiempo que la corriente de colector es diferente de cero. Existen cuatro clasificaciones principales: clase A, clase B, clase AB y clase C. En los siguientes apartados se analiza cada una de ellas.

Operaci�n en clase A

En la operaci�n en clase A, el amplificador reproduce totalmente la se�al de entrada. La corriente de colector es distinta de cero todo el tiempo. Este tipo de operaci�n es ineficiente ya que, aun sin se�al de entrada, Icq es diferente de cero y el transistor disipa potencia. Esto es, el transistor disipa potencia en condici�n est�tica o de reposo.

La caracter�sticas t�picas para la operaci�n en clase A. La corriente, ICQ, se sit�a por lo general en el centro de la l�nea de carga de ca. En la figura se muestran un ejemplo de entrada senoidal y la corriente de colector resultante en la salida. N�tese que la entrada senoidal se dibuja con la ordenada alineada con la l�nea de carga. Entonces se var�a VCE como funci�n del tiempo, moviendo hacia arriba y abajo la l�nea de carga. Las variaciones en VCE provocan variaciones proporcionales en la corriente de colector, las cuales se leen proyectando el valor de VCE a la l�nea de carga y luego en forma horizontal al eje ic N�tese que si se evitan las porciones no lineales de las curvas de operaci�n (las regiones sombreadas del diagrama), una entrada senoidal provoca una salida senoidal.

Operaci�n en clase B

En la operaci�n en clase B, se utiliza un amplificador para amplificar el semiciclo positivo de la se�al de entrada, mientras que un segundo amplificador amplifica el semiciclo negativo. La configuraci�n de este amplificador se conoce como pushpull o de simetr�a complementaria

Como un transistor puede responder s�lo a medio ciclo, se requieren dos transistores para producir la onda completa. Cada uno de los transistores se polariza en el corte en lugar del punto medio del intervalo de operaci�n, como es el caso para la operaci�n en clase A. Cada transistor opera la mitad del tiempo, de modo que la corriente de colector de cada uno es diferente de cero el 50% del tiempo.

La ventaja de la operaci�n en clase B es que la corriente de colector es cero cuando la se�al de entrada al amplificador es cero. Por tanto, el transistor no disipa potencia en condici�n de reposo.

Entre las desventajas del amplificador clase B est� la inclusi�n de la regi�n no lineal de corte en el intervalo de operaci�n. Esto es, a diferencia de la situaci�n en clase A, no es posible eliminar el 5% de la regi�n de operaci�n sombreada en la parte inferior . Por tanto, la distorsi�n que se produce cerca del punto Q se incluye en la se�al de salida.

En la figura 1 se ilustra una curva caracter�stica t�pica para un par de transistores en la configuraci�n push-pulL Esta figura s�lo es para fines conceptuales, ya que m�s adelante se analiza el amplificador con mayor detalle. Como dos transistores est�n conectados, con el colector de uno de ellos a continuaci�n del emisor del otro, se repiten las curvas para el segundo transistor, pero se invierten los signos de la corriente de colector y la tensi�n colector a emisor. Esto es, las dos cantidades aumentan hacia abajo y a la izquierda, respectivamente, para las caracter�sticas del segundo transistor. En la porci�n superior izquierda de la figura se representa al primer transistor, que conduce s�lo durante el semiciclo positivo de la entrada. En la porci�n inferior derecha se representa al segundo transistor, que est� configurado para conducir s�lo en el semiciclo negativo. En la figura 1 se muestra una t�pica forma de onda de salida. N�tese que el primer transistor produce la parte positiva de la salida y el segundo la parte negativa.

Fig.1 -Operaci�n en clase B

Es importante que los dos transistores en configuraci�n push-pull sean iguales. De esta forma, las porciones positiva y negativa de la entrada se amplifican en la misma proporci�n.

Operaci�n en clase AB

La operaci�n en clase A tiene la ventaja de contar con una peque�a distorsi�n, mientras que en clase B tiene la de una mayor eficiencia. La operaci�n en clase AB se encuentra entre estos dos extremos. El punto Q se sit�a ligeramente por arriba del valor de corte, por lo que se halla en el l�mite inferior de la porci�n lineal (sin distorsi�n) de las curvas de operaci�n. El transistor soporta entonces una corriente de colector diferente de cero un poco m�s del 50% del tiempo.

En la figura 2 se ilustra la curva de operaci�n para una entrada senoidal y una operaci�n en clase AB. N�tese que con un solo transistor, si la entrada es una sinusoide, el amplificador distorsiona bastante la porci�n negativa de la onda. El

amplificador en clase AB es adecuado s�lo para 'la parte positiva de la onda de entrada. Se deber� condicionar que la entrada nunca sea negativa o ser� necesario un arreglo push-pull.

Operaci�n en clase C

La l�nea de carga de un amplificador en clase C se muestra en la figura 3, donde VBEQ se sit�a en un valor negativo. El transistor se polariza con una VBB negativa. Por tanto, s�lo conduce cuando la se�al de entrada se encuentra arriba de un valor positivo especifico. La salida es inferior a un medio de una sinusoide y la corriente de colector es diferente de cero menos del 50% del tiempo.

Si una sinusoide es la entrada a un amplificador clase C, la salida consiste en "picos" a la frecuencia de entrada. Esto se muestra a la izquierda de la figura 3. Como �sta es una se�al peri�dica, contiene un componente a la frecuencia fundamental m�s arm�nicos de frecuencias mayores. Si esta se�al se pasa a trav�s de un circuito sintonizado inductor-capacitor (LC) que sea resonante a la frecuencia fundamental, la salida es una se�al senoidal a la misma frecuencia que la entrada. Este m�todo se utiliza a menudo si la se�al por amplificar es ya sea una sinusoide pura o bien una se�al m�s general con un intervalo limitado de frecuencias.

Fig.3 - Operaci�n en clase C.

Los amplificadores clase C son capaces de proporcionar grandes cantidades de potencia. Se utilizan a menudo para etapas de potencia de transmisores, donde se incluye un circuito sintonizado para eliminar los arm�nicos mayores en la se�al de salida.

En general, los circuitos amplificadores de potencia contienen transistores capaces de manejar alta potencia. Estos operan normamente a tensiones mayores que los transistores de baja potencia, y por tanto requieren a menudo una fuente de alimentaci�n separada. Por ejemplo, las tensiones de los transistores de potencia pueden exceder los 450 V. Las capacidades de corriente tambi�n son elevadas, con frecuencia superiores a 10 A de corriente continua. Como estos transistores necesitan disipar potencias elevadas, se dise�an en forma diferente de los transistores de baja potencia, y pueden incluir circuitos de protecci�n para limitar la corriente. Tambi�n se hacen esfuerzos adicionales para disipar el calor que se produce durante la operaci�n.

En esta secci�n se analizan las configuraciones circuitales para amplificadores de potencia. Estos se clasifican de acuerdo con el tipo de acoplamiento.

Amplificador acoplado en forma inductiva

Se requiere alta ganancia de corriente para obtener potencia en la carga de la salida. La excursi�n en la tensi�n de salida se puede aumentar utilizando un inductor en vez de un resistor para el elemento del colector. Se ver� tambi�n que esto aumenta la eficiencia del circuito. El inductor se selecciona de manera que se aproxime a un circuito abierto para la frecuencia de entrada, pero a un cortocircuito para cd. En otras palabras,

wL� RL

a la frecuencia m�s baja, Rmd � RL

Rind � RE.

 

En la figura 4 se ilustra el amplificador acoplado por inductor y las l�neas de carga.

Fig. 4 -Amplificador acoplado por inductor

Se elige el punto Q para m�xima excursi�n en la salida.

ICQ = Vcc/ Rca + Rcd

 

La resistencia en ca es simplemente RL, ya que el inductor se aproxima a un circuito abierto para ca y los capacitores son cortocircuitos. La resistencia en cd es RE, siempre que se pueda despreciar la resistencia del inductor. Por tanto,

ICQ = Vcc/ RL + RE

 

Como las l�neas de carga en cd y ca cruzan el punto Q, la ecuaci�n de la l�nea de carga de ca da

ICQ= Vceq/ RL

 

Igualando estas dos expresiones para ICQ, se obtiene la ecuaci�n :

VCEQ= VCC/ l+RE/RL

Sup�ngase que RE �RL. Entonces, de la ecuaci�n se ve que VCEQ ~ Vcc y la l�nea de carga de ca interseca el eje VCE m�s o menos en 2Vcc. La utilizaci�n del dispositivo de almacenamiento (inductor) produce una excursi�n en tensi�n que efectivamente equivale a doblar la fuente de alimentaci�n. El campo del inductor almacena energ�a durante el ciclo de conducci�n, actuando entonces como una segunda fuente de Vcc en serie con la fuente de cd.

El amplificador acoplado por inductor posee una eficiencia mayor que la del amplificador que contiene una resistencia de colector. Para probar esto, se debe calcular primero la eficiencia de este amplificador. Esto se realiza suponiendo se�ales de entrada senoidales.

La potencia proporcionada por la fuente de tensi�n es

Pproporcionada = VCC*ICQ =VCC*VCC/ RL

donde se supone que RE � RL; por tanto, se ignora RE en la ecuaci�n. La potencia proporcionada a la carga bajo la suposici�n de que la entrada es una sinusoide con amplitud, ¹L m�x, es

Pcarga=I _L *I_L RL/2

En la figura 4 se observa que la m�xima excursi�n en la corriente del colector tiene una amplitud ¹CQ (se ignoran la saturaci�n y el corte). Como el inductor es casi un circuito abierto para ca, �sta es tambi�n la m�xima excursi�n en la corriente de la carga. Por tanto, la m�xima potencia hacia la carga es

n=50%

La eficiencia de conversi�n se define como la raz�n de la potencia en ca de la carga a la potencia proporcionada por la fuente. Esta medida de la eficiencia depende por tanto de la potencia disipada en los circuitos de polarizaci�n y en RE. A fin de derivar un valor m�ximo para la eficiencia, se supone que la potencia disipada en el circuito de polarizaci�n y en RE y Rind es despreciable. La m�xima eficiencia de conversi�n (con un m�ximo en la exc�rsi�n de salida) est� dada entonces por

n=Vc²c/2R = Vc²c/RL =50%

 

El circuito con un resistor en el colector de donde se derivaron varias relaciones de potencia. �stas se pueden utilizar para mostrar que la m�xima eficiencia del amplificador con resistencia en el colector es del 25%, o un medio de la eficiencia encontrada para el amplificador acoplado por inductor. Esto es razonable ya que, en el circuito con resistencia en el colector, la carga vista por el transistor es la combinaci�n en paralelo de la resistencia de colector y la resistencia de carga. La m�xima potencia proporcionada por el transistor se comparte entre estas dos resistencias.

Un amplificador de audio en clase B utiliza un transistor para amplificar la porci�n positiva de la se�al de entrada y otro transistor para amplificar la porci�n negativa de la se�al de entrada.

Amplificador de potencia clase B con simetr�a Complementaria

Se puede dise�ar un amplificador de potencia push-pull sin utilizar transformadores ) divisores de fase si se recurre a un transistor pnp y uno npn con caracter�sticas

sim�tricas. El circuito es como se muestra en la figura 6.11. Este circuito se llama com�nmente amplificador de potencia con simetr�a complementaria. Debido a que

se utilizan dos fuentes de energ�a de polaridad opuesta, la tensi�n en cd en la uni�n entre los dos emisores es cero.

Si se revisa el circuito para aislar la carga con un capacitor, se puede utilizar una

fuente de energ�a simple. Este circuito se muestra en la figura 6.12. El capacitor )loquea la cd (Vcc/²) de la carga. El capacitor tambi�n proporciona la tensi�n de suministro a Q2 cuando Qi no conduce. Esto es, el capacitor se carga al valor en d de VCC/² en la uni�n de los dos emisores.

La l�nea de carga de cd es a�n vertical, ya que el capacitor act�a como circuito abierto para cd. Dado que el amplificador opera en clase B, ¹CQ se coloca en cero.

Como en el caso del amplificador de potencia acoplado por transformador, RB e determina de la ecuaci�n de ganancia de corriente o de la ecuaci�n de resistencia le entrada. La resistencia de entrada, R_en, se determina como sigue (hib = O):

Ren = RB//(b RL) = RBRL/RB/b +RL

resistencia de base equivalente, RB, ya no es igual a R₁ R₂. En vez de esto, .5 R₂ R₂o R₂/2, ya que los dos capacitores de entrada cortan ambos resistores R1 para operar en ca.

 

Para evitar la regi�n de operaci�n no lineal cercana al corte y, por tanto, para obtener una operaci�n m�s sim�trica, se pueden quitar los dos resistores R₁ y reemplazarlos con un resistor variable, , como se muestra en la figura2. Este resistor permite que I_{C Q} se eleve por encima de cero para compensar la distorsi�n que se produce al operar cerca del corte, como se muestra en la figura 2. Esto cumple con la operaci�n en clase AB.

En los otros circuitos, se utiliza un capacitor para aislar la carga. El capacitor forma parte de la trayectoria de la corriente para un transistor cuando el otro est� en corte. Por tanto, el capacitor se carga durante la conducci�n de Q1 y se descarga durante la conducci�n de Q2.

Con la capacitancia presente, el circuito se vuelve dependiente de la frecuencia. La respuesta de la etapa en baja frecuencia se determina por la red RC. Conforme disminuye la frecuencia de la se�al, aumenta la tensi�n a trav�s del capacitor en serie y disminuye la tensi�n a trav�s de RL. Este efecto reduce la se�al desarrollada a trav�s de RL, y por tanto disminuye la ganancia del amplificador.