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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
Amplificador Clase A8
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.
Amplificador Clase A9
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
Amplificador Clase B con un único transistor 14
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
Amplificador Clase B con un único transistor 17
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
AMPLIFICADOR CLASE B PUSH-PULL
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
AMPLIFICADOR CLASE B PUSH-PULL
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