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Electrónica de los Sistemas de Adquisición, Procesamiento y Control Industrial I
EC-3179
Amplificadores clase A
Prof. Manuel Rivas
Contenido
Clasificación
Transistores de potencia
Amplificadores clase A con red de polarización pasiva
Amplificadores clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 2
EC-3179 Amplificadores clase A 3
Clasificación
Generalmente, los amplificadores de potencia se
clasifican en cinco tipos: clase A, clase B, clase AB, clase
C y clase D
Existen otras clases de amplificadores pero trabajan
bajo otros principios (circuitos conmutados) y son
utilizados para aplicaciones de RF (clase E hasta clase S)
La clasificación se basa en la forma de la onda de la
corriente de colector (o drenador) producida por una
señal de entrada senoidal
EC-3179 Amplificadores clase A 4
Clasificación
Para el amplificador clase A, la corriente de polarización
del colector IC (o ID del drenador) es mayor que la
amplitud pico IP de la corriente de salida
El transistor conduce durante todo el ciclo de excursión
de la señal de entrada
360º de conducción
Eficiencia máxima 50%
EC-3179 Amplificadores clase A 5
Clasificación
Para el amplificador clase B, el transistor tiene un
corriente de polarización igual a cero
El amplificador clase B utiliza dos transistores: uno
para el ciclo positivo y otro para el ciclo negativo
Cada transistor conduce solo durante medio ciclo de la
señal de entrada
180º de conducción
Eficiencia máxima 78.5%
EC-3179 Amplificadores clase A 6
Clasificación
Para un amplificador clase AB, la corriente de
polarización es distinta de cero aunque mucho menor
que la amplitud pico de la corriente de salida
Los transistores conducen durante un poco más de la
mitad de un ciclo de la señal de entrada
Más de 180º de conducción
Eficiencia máxima 78.5%
EC-3179 Amplificadores clase A 7
Clasificación
En un amplificador Clase C, el transistor conduce un
intervalo menor que un semiciclo de la señal de entrada
Menos de 180º de conducción
Corriente del transistor en forma de pulsos
Eficiencia máxima 100%
EC-3179 Amplificadores clase A 8
Clasificación
En un amplificador Clase D, el transistor operan como
interruptores
Corriente del transistor en forma de pulsos
Eficiencia máxima 100%
EC-3179 Amplificadores clase A 9
Transistores de potencia
Los transistores utilizados en los amplificadores de
potencia tienen características eléctricas distintas los de
pequeña señal
El BJT tiene áreas de base, colector y emisor más
grandes para manejar mayores niveles de corriente
EC-3179 Amplificadores clase A 10
Transistores de potencia
Los parámetros del BJT tienen una fuerte dependencia
con la temperatura
A elevados niveles de
corriente, la ganancia de
corriente hFE tiende a caer
significativamente y las
resistencias parásitas de
base y de colector
adquieren un valor
significativo
EC-3179 Amplificadores clase A 11
Transistores de potencia
La limitación del máximo voltaje emisor colector que
puede soportar el transistor está asociado con la región
de ruptura
El voltaje de ruptura cuando
IB =0 se conoce como VCEO
Cuando el transistor está en
la región activa y se alcanza
el voltaje de ruptura, todas las
curvas tienden a un mismo
valor (VCEsus)
EC-3179 Amplificadores clase A 12
La potencia instantánea disipada por el transistor es:
La potencia promedio disipada por el transistor es:
El valor máximo de disipación de potencia que puede
alcanzar el transistor viene dado por la expresión:
Esta expresión forma lo que se conoce como “hipérbola
de potencia” del transistor
CCEBBECCEQ IVIVIVP
CCET IVP
T
0CCEQ dtIV
T
1P~
Transistores de potencia
EC-3179 Amplificadores clase A 13
Existe el efecto de ruptura secundaria el cual se
produce cuando se manejan altos niveles de voltaje y
sustanciales niveles de corriente
La resistencia del material semiconductor decrece,
aumentando la corriente y el calor generado funde el
transistor, dañándolo
El voltaje hacia donde convergen las curvas del
transistor una vez que se ha alcanzado el voltaje de
ruptura secundario se denota VCEsus
Transistores de potencia
EC-3179 Amplificadores clase A 14
Transistores de potencia
La máxima potencia manejada por el transistor
establece una región de operación que en conjunto con
los limites de VCEsus e ICmax y la región de ruptura
secundaria, se denomina “área de operación segura”
(SOA)
EC-3179 Amplificadores clase A 15
Determine la corriente, el voltaje y la potencia disipada
por el transistor si se sabe que RL= 8Ω y VCC = 24 V
La corriente máxima por el transistor si VCE0V es:
El máximo voltaje colector emisor
si IC=0 A es:
La recta de carga del circuito es:
A3R
VI
L
CCCmax
V24VV CCCEmax
LCCCCE RIVV
Transistores de potencia
EC-3179 Amplificadores clase A 16
La potencia disipada por el transistor es:
Derivamos la potencia para hallar el máximo de la
hipérbola:
Igualamos a cero la expresión obtenida:
L2CCCCCCCET RIIVIVP
LCCC
C
T R2IVdI
dP
0dI
dP
C
T
Transistores de potencia
EC-3179 Amplificadores clase A 17
La corriente que circula por el transistor en este punto
es:
El voltaje colector emisor del transistor es:
La potencia máxima disipable por
el transistor es:
A1 .52R
VI0
dI
dP
L
CCC
C
T
V1 2RIVV LCCCCE
W1 8IVP CCET
Transistores de potencia
EC-3179 Amplificadores clase A 18
Transistores de potencia
El transistor MOSFET presentan características
superiores a BJT: es más rápido, no presenta el efecto de
ruptura secundaria y tiene un rango de temperaturas de
operación más amplio
EC-3179 Amplificadores clase A 19
Transistores de potencia
La variación de la transconductancia respecto a la
temperatura es menor que la ganancia de corriente del
BJT
EC-3179 Amplificadores clase A 20
Transistores de potencia
Debido a que el camino
entre drenador y fuente
es esencialmente
resistivo, la resistencia
de encendido
(rDS(on)) es un
parámetro importante
para considerar
en el MOSFET
EC-3179 Amplificadores clase A 21
Determine la corriente, el voltaje y la potencia disipada
por el transistor si se sabe que RL= 20 Ω y VDD = 24 V
La corriente máxima por el transistor si VDS0V es:
El máximo voltaje colector emisor
si ID=0 A es:
La recta de carga del circuito es:
A1 .2R
VI
L
DDDmax
V24VV DDDSmax
LDDDDS RIVV
Transistores de potencia
EC-3179 Amplificadores clase A 22
La potencia disipada por el transistor es:
Derivamos la potencia para hallar el máximo de la
hipérbola:
Igualamos a cero la expresión obtenida:
L2DDDDDDDST RIIVIVP
LDDD
D
T R2IVdI
dP
0dI
dP
D
T
Transistores de potencia
EC-3179 Amplificadores clase A 23
La corriente que circula por el transistor en este punto
es:
El voltaje colector emisor del transistor es:
La potencia máxima disipable por el
transistor es:
A0.62R
VI0
dI
dP
L
DDD
D
T
V1 2RIVV LDDDDS
W7 .2IVP DDDT
Transistores de potencia
El amplificador clase A más sencillo construido con un
transistor BJT
El circuito no tiene como misión amplificar voltaje sino
amplificar corriente
CCCCCE
BC
B
BECCB
RIVV
βII
R
VVI
Amplificador clase A con red de polarización pasiva
EC-3179 24Amplificadores clase A
EC-3179 Amplificadores clase A 25
El transistor, al operar en la región activa, tiene
limitaciones en cuanto a su excursión simétrica
Los límites de la excursión
son:
2
III
2
VVV
C(min)C(max)
P
CE(min)CE(max)
P
Amplificador clase A con red de polarización pasiva
EC-3179 Amplificadores clase A 26
El voltaje de entrada está relacionado con la corriente de
colector mediante la ecuación:
1eIRVV
1eIi
VV
T
I
T
I
VV
SCCCO
VV
SC
BEI
Amplificador clase A con red de polarización pasiva
EC-3179 Amplificadores clase A 27
La potencia requerida a la fuente (PS) es:
La potencia entregada a la carga (PL) es:
La potencia entregada a la carga es máxima (PLmax)
cuando VCEmax = VCC, VCEmin = 0, ICmax=2IC y ICmin=0
CCCBCCCCCS IVIVIVP
2
IV
2
I
2
VP PPPP
promL
4
IV
8
2IVP CCCCCC
maxL
Amplificador clase A con red de polarización pasiva
EC-3179 Amplificadores clase A 28
La eficiencia del amplificador () es:
La calidad del amplificador (Fm) es:
25%P
Pη
1 00%P
Pη
S
Lmaxmax
S
L
2
4IV
I2
V
P
IV
P
PF
CCC
CCC
Lmax
CmaxCmax
Lmax
Cmaxm
Amplificador clase A con red de polarización pasiva
EC-3179 Amplificadores clase A 29
Como no se requiere ganancia de voltaje, se utilizan
configuraciones de colector común
Hay que observar cuidadosamente los
detalles de polarización en la base del
transistor
Es común trabajar con doble fuente
de polarización (mayor excursión)
ECCCCE
IO
ImaxBBI
RIVV
0.7 VVV
ωtsinVVV
Amplificador clase A con red de polarización pasiva
EC-3179 Amplificadores clase A 30
Cuando se trabaja con circuitos integrados, se
reemplazan las resistencias de polarización con “cargas
activas”.
1
BE2CCR
R
VVI
L
BE1O
R
VI
ORC1 III BE1CCCE1 VVV
Corriente de offset
Fuente de corriente
BE1O VV Voltaje de offset
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 31
En presencia de la señal de entrada, se tiene que:
Si VI aumenta, el transistor Q1 se va saturando, por lo
que:
Si VI disminuye, el transistor Q1 se apaga
cuando IC1 = 0 A
BE1IO VVV
CE1satCCOmax VVV
RO II L
1
BE2CCO R
R
VVV
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 32
Para una excursión simétrica máxima, se requeriría
que:
El valor crítico de la RL es:
Cualquier otro valor por encima de R1
sirve:
El voltaje de salida sería entonces:
CE1satCCOmin VVV
1L RR
1L RR
)V2(VV CE1satCCpico)O(pico
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 33
Para simplificar el análisis, despreciamos VCE1sat y VBE1,
y hacemos IR=IQ para máxima excursión simétrica
La potencia instantánea disipada en Q1 es:
Q1R
IO
CCI
II
VV
t)sin(VV
ω
Amplificador clase A con red de polarización activa
VO VCE1 IC1 0V (DC) VCC IR
+VCC 0V IR + IR =2 IR -VCC 2VCC IR - IR =0 A
tcos212
IVP
t))sen((1t))Isen((1VIVP
RCCQ1
RCCC1CE1Q1
ω
ωω
EC-3179 Amplificadores clase A 34
Representación grafica de las variables del circuito
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 35
La potencia suministrada por “las fuentes” es:
La potencia promedio entregada a la carga es:
La potencia máxima entregada a la carga ocurre
cuando VOmax = VCC
RCCS IV2P
L
2Omax
L
2
Omax
promL2R
V
R
2
V
P
L
2
CCmaxL
2R
VP
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 36
La eficiencia máxima del amplificador es:
25%η
1 00%4
1η
1 00%I4R
Vη
1 00%IV2
2RV
η
max
max
RL
CCmax
RCC
L
2CC
max
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 37
Amplificador emisor común con espejo de corriente
1 )(eII
III
II
VV
R
VVI
T
IV
V
SC1
C1RO
RC2
BE2BE3
1
BE3CC
R
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 38
Característica de transferencia del circuito
)eI(IRV
)I(IRV
IRV
T
IV
V
SRLO
C1RLO
OLO
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 39
Cuando IC1=0 A, el transistor Q1 está en corte y toda la
corriente de Q2 se va a la carga
La condición para que no haya distorsión es RLR1
1
CE2CCLOLO
R
VVRIRV
CE1satCCOmin
CE2satCCOmax
VVV
VVV
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 40
Amplificador drenador común con espejo de corriente
2TGSD
L
OQD1
GS1IO
RD2D3
GS2GS3
VVL
W
2
k´I
R
VII
VVV
III
VV
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 41
Amplificador drenador común con fuente de corriente
L
Wk´
2IV
VVV
)VRI(siRIV
)VRI(siVVV
VVV
DOV
TGSOV
DDLQLQOmin
DDLQov2CCOmin
ov1CCOmax
RL=RL1
RL=RL2
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 42
La función de transferencia del circuito es:
Amplificador clase A con red de polarización activa
EC-3179 Amplificadores clase A 43
Para mejorar la eficiencia del amplificador, se
reemplaza la resistencia de colector por una bobina
ECCCCE
BC
ETH
BETHB
21TH
21
2CCTH
RIVV
βII
R1βR
VVI
//RRR
RR
RVV
Amplificador clase A con red de polarización inductiva
EC-3179 Amplificadores clase A 44
La recta de carga en DC es una línea vertical ya que el
valor de RE suele ser muy pequeño y la recta de carga
AC tiene una pendiente determinada por RL
L
CEQce
CQc
L
cec
ceLc
cL
R
VvIi
R
vi
0vRi
iI
Amplificador clase A con red de polarización inductiva
EC-3179 Amplificadores clase A 45
Determinamos la eficiencia del amplificador
50%(%)η
2
1
P
Pη
R
VIVP
R
V
2
1RI
2
1P
max
S
Lmaxmax
L
2CC
CQCCS
L
2
L2CQLmax
CC
Amplificador clase A con red de polarización inductiva
EC-3179 Amplificadores clase A 46
Para mejorar la eficiencia del amplificador se requiere
minimizar la resistencia de colector, por lo que se
sustituye por un transformador de
audio cuya impedancia en DC es 0 Ω
La corriente de colector es controlada
por la resistencia de la base
BCQ
CCCEQ
B
BECCB
βII
VV
R
VVI
Amplificador clase A con acople de carga inductivo
EC-3179 Amplificadores clase A 47
Eficiencia:
L2
L
S
P´L RNR
n
nR
50%1 00%2
1η
2R
VP
IVIIVP
max
´L
2CC
Lmax
CQCCBQCQCCS
Amplificador clase A con acople de carga inductivo
EC-3179 Amplificadores clase A 48
Figura de mérito:
2
2R
V
R
V
F
2R
VP
R
VIVIVP
´L
2CC
´L
2CC
m
´L
2CC
Lmax
´L
2CC
CmaxCCCQCCCmax
Amplificador clase A con acople de carga inductivo
EC-3179 Amplificadores clase A 49
EECCCE
BE
ETH
BETHB
21TH
21
2CCTH
RIVV
I1βI
β)R(1R
VVI
//RRR
RR
RVV
Una configuración con una red de polarización más
elaborada
Amplificador clase A con acople de carga inductivo
EC-3179 Amplificadores clase A 50
2
1η
IVP
IV2
1P
RaR
max
CQCCS
CQCCLmax
L2´
L
Una configuración con polarización más elaborada
Recordar que esta configuración tiene ganancia de
tensión
Amplificador clase A con acople de carga inductivo
EC-3179 Amplificadores clase A 51
Configuración colector común (ganancia unitaria)
L2´
L
CCCE
BC
TH
BETHB
21TH
21
2CCTH
RaR
VV
βII
R
VVI
//RRR
RR
RVV
Amplificador clase A con acople de carga inductivo
EC-3179 Amplificadores clase A 52
Configuración colector común (ganancia unitaria)
2
1η
IVP
R2a
V
R
V
2
1P
a
VV
R
V
2
1P
max
CQCCS
L2
2CC
L
2Pmax
Lmax
CCPmax
L
2P
L
Amplificador clase A con acople de carga inductivo
