Amplificadores de Gran Señal

UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIÓN – FACULTAD DE INGENIERÍA

Amplificadores de Gran Señal Cátedra de Electrónica Básica Hernán Cabañas González 6º Semestre 2011

Contenido Objetivos ........................................................................................................................................ 2 Introducción.................................................................................................................................... 2 Amplificadores de gran señal .......................................................................................................... 3 Clases de amplificadores de gran señal ............................................................................................ 3 Amplificadores de clase A ............................................................................................................... 4 Configuración Darlington .................................................................................................................. 5 Circuito amplificador acoplado por transformador .......................................................................... 6 Amplificadores de clase B ............................................................................................................... 6 Distorsión de cruce por cero .............................................................................................................. 7 Amplificador clase B con transformadores ....................................................................................... 8 Amplificadores de clase AB ............................................................................................................. 8 Amplificadores de clase C................................................................................................................ 9 Conclusión .................................................................................................................................... 11

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Objetivos El objetivo fundamental de este trabajo es ofrecer un resumen acerca de los amplificadores de gran potencia (Large-signal amplifiers), detallar sus características y ofrecer una clasificación según determinados parámetros. Se ofrece también una breve reseña sobre los tipos más frecuentes de amplificadores de gran señal y algunas aplicaciones usuales.

Introducción Desde la implementación de la física de los semiconductores a la ingeniería eléctrica-electrónica, ésta experimentó un vertiginoso avance hacia la eficiencia energética, la economía y la miniaturización. Este incremento en la economía permitió la consolidación de los medios masivos de comunicación y en consecuencia, modificó para siempre a la humanidad al hacer más fácil el acceso a la información. Uno de los elementos que contribuyeron en mayor medida a este avance es sin duda el amplificador, ya que hizo posible la implementación de circuitos de telecomunicaciones confiables, compactos y económicos. Los amplificadores de gran señal son aquellos amplificadores diseñados para manejar grandes amplitudes y son utilizados mayormente en sistemas de audio, transmisores de radiofrecuencia, instrumentos musicales y otras aplicaciones similares.

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Amplificadores de gran señal Los amplificadores de pequeña señal son denominados generalmente “amplificadores de tensión”, ya que convierten una pequeña tensión de entrada en una tensión de salida mucho más grande. En ocasiones, se requiere que un amplificador controle un motor o alimente unos altavoces; para este tipo de aplicaciones (donde se tienen grandes corrientes) se hace necesario un amplificador de gran señal. La función principal de los amplificadores de gran señal (conocidos también como amplificadores de potencia) es la de amplificar la potencia de entrada, a diferencia de los amplificadores de pequeña señal, que generalmente amplifican una señal en forma de voltajes. El amplificador de potencia funciona basándose en el principio básico de “convertir” la potencia de corriente continua (tomada de la fuente de energía) en una señal de tensión de corriente alterna que luego es entregada a la carga. Aunque la amplificación es grande, la eficiencia de la conversión es generalmente baja. El amplificador ideal debería ofrecer una eficiencia de 100%, sin embargo, esto nunca sucede ya que un poco de la potencia se pierde en forma de calor, además de presentar otras pérdidas relacionadas con la no-linealidad de sus características1. Clases de amplificadores de gran señal Los circuitos amplificadores de potencia se clasifican según la magnitud su ángulo de flujo Θ, en amplificadores de potencia de tipo A, B, AB y C. El ángulo de flujo es la porción de la señal de entrada durante la cual el amplificador conduce. Este ángulo de flujo tiene una relación cercana con la eficiencia del amplificador. Estas clases de amplificadores van desde una salida casi lineal con eficiencia baja hasta una salida no-lineal pero con alta eficiencia. La eficiencia aumenta de A a C, mientras la linealidad disminuye. Los valores típicos de estos parámetros son dados a continuación:  Clase A: eficiencia por debajo de 50% pero una buena reproducción de señal y linealidad.  Clase B: casi el doble de eficiente que la clase A, con una eficiencia que ronda el 70%, ya que el amplificador trabaja solo conduce durante la mitad del ciclo  Clase AB: tiene una eficiencia mayor que la clase A, pero menor que la clase B. La reproducción de señal es peor que la de la clase A. 1

Un amplificador ideal debe presentar las siguientes características:  La ganancia debe permanecer constante para valores variables de la señal de entrada  La ganancia no debe ser afectada por la frecuencia  No debe agregar ruido a la señal de salida. Debe remover cualquier sonido que ya existe en la señal de entrada.  La ganancia no debe ser afectada por los cambios en la temperatura.  La ganancia debe mantenerse estable durante largos periodos de tiempo.

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Clase C: es la clase de amplificador más eficiente, sin embargo, la señal de salida presenta una gran distorsión. Estos amplificadores presentan la peor reproducción de señal La fig. 1 muestra la porción de señal sobre la que actúa cada una de las clases de amplificadores.

Figura 1. De izquierda a derecha y de arriba a abajo: Clase A; Clase B; Clase AB; Clase C

Amplificadores de clase A Como fue mencionado anteriormente, los amplificadores de clase A son aquellos que amplifican la totalidad de la onda, sin producir distorsión. Esta linealidad expresada en términos de no-distorsión en una característica muy apreciada en determinadas aplicaciones donde la fidelidad en la reproducción de la señal es fundamental. Sin embargo, su ineficiencia, gran tamaño y enorme disipación de calor son parámetros que desalientan su aplicación generalizada. Desde el punto de vista técnico, los amplificadores de clase A son los más sencillos de construir e implementar, ya que los circuitos pueden ser tan simples como los de la fig. 2.

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Figura 2. Típico amplificador clase A. Transistor en configuración emisor común

Este circuito usa utiliza un solo transistor con una carga resistiva conectada directamente a la terminal del colector. La eficiencia de este tipo de circuito es muy baja (menor al 30%) y entrega una pequeña salida de potencia para una gran absorción de potencia de corriente continua. Las pérdidas se deben fundamentalmente a la presencia permanente de la corriente de reposo no nula, debido a que el transistor no puede controlar completamente la corriente que pasa directamente de la resistencia de colector a la salida. Configuración Darlington Una forma simple de aumentar la capacidad de manejo de corriente del circuito y al mismo tiempo obtener una mayor ganancia de potencia es la de reemplazar un simple transistor por dos transistores en un transistor Darlington, que se muestra en la fig.3. Este tipo de dispositivos consiste básicamente en dos transistores en un simple “paquete”, un transistor pequeño que actúa de “piloto” y otro transistor mayor que actúa de amplificador propiamente dicho. La gran venFigura 3. Configuración Darlington taja de estos dispositivos es

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que la impedancia de entrada es suficientemente grande mientras que la impedancia de salida es relativamente baja, por tanto, se reduce la pérdida de potencia y la disipación de calor. La ganancia total de corriente, β, de la configuración Darlington es el producto de las dos ganancias individuales, esto permite que esta configuración llegue a tener valores muy elevados de amplificación de corriente, comparando con los circuitos de un solo transistor. Circuito amplificador acoplado por transformador Otra opción para mejorar el rendimiento consiste en conectar un transformador directamente a la terminal del colector como se muestra en la fig. 4. Este acoplamiento mejora la eficiencia del amplificador al relacionar directamente la impedancia de la carga con la de la salida del amplificador usando la constante de transformación N. Figura 4. Amp. acoplado por transformador

Amplificadores de clase B Como se mencionó con anterioridad los amplificadores de clase B son aquellos que conducen durante la mitad del ciclo de corriente alterna. Por lo tanto, para obtener una señal completa es necesario usar dos transistores (o grupos de transistores). Uno de estos es usado para reproducir la mitad superior de la forma de onda y el segundo es usado para reproducir la mitad inferior. En un amplificador de esta clase, habitualmente la corriente de reposo es igual a cero o muy pequeña. Con esto se deduce que la disipación de poFigura 5. Circuito en Simetría Complementaria tencia en reposo es despreciable, a diferencia del amplificador de clase A, esto hace que el rendimiento de la clase B sea sustancialmente mayor.

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La solución al problema de reproducción de solo la mitad de la señal se soluciona con los circuitos llamados “push-pull” o de “simetría complementaria”, como se muestra en la fig. 5. El hecho de que los transistores trabajen sin corriente de reposo, hace que su región de operación se encuentre cerca de la región de corte (cut-off), por esto, los amplificadores de clase B presentan cierta deformación en la forma de onda, denominada distorsión de cruce por cero, que se explica en la siguiente sección Distorsión de cruce por cero Esta distorsión, como dice el nombre, aparece en el momento en que la señal pasa del semiciclo positivo al negativo y viceversa. Un esquema de esta distorsión se muestra en la fig. 6. El origen de esta deformación es el hecho de que existe un retraso entre la “desactivación” del primer transistor y la “activación” del segundo. Este retraso sucede porque el Figura 6. Distorsión de cruce por cero transistor requiere de una pequeña tensión de polarización para salir de la zona de corte. La mínima tensión necesaria en el caso de los transistores bipolares de silicio es de aproximadamente 0,7 V. La tensión en los alrededores del punto de la distorsión son efectivamente menores que esta tensión mínima de polarización para ambos transistores, y por lo tanto ninguno de ellos se comporta de forma lineal en esta región. Las características de transferencia se muestran en la fig. 7.

Figura 7. Origen de la distorsión

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Amplificador clase B con transformadores Al igual que con los amplificadores de tipo A, es posible incorporar transformadores con el objeto de mejorar las impedancias de entrada y de salida del circuito amplificador. Tal configuración se muestra en la fig. 8.

Figura 8. Circuito amplificador clase B push-pull con transformadores

Esta configuración requiere que los transformadores estén divididos en dos partes exactamente iguales, para evitar la circulación de una corriente entre los colectores que pueda provocar una distorsión.

Amplificadores de clase AB En estos amplificadores, cada dispositivo opera de la misma forma que en la clase B sobre la mitad de la forma de onda, pero además, conduce una pequeña cantidad de la otra mitad de la onda. Como resultado de esto, la región donde ambos dispositivos están apagados al mismo tiempo es significativamente reducida. El resultado es que cuando las formas de onda de ambos dispositivos son combinadas, la distorsión de cruce por cero es minimizada o totalmente eliminada La elección precisa de la corriente de reposo, hace una gran diferencia al nivel de distorsión, pero como la temperatura del dispositivo juega un papel muy importante en la estabilidad, la tensión aplicada para establecer la corriente de reposo debe ser ajustada dinámicamente con la temperatura de los transistores. Otra opción para aumentar la estabilidad es incluir resistencias en serie con los emisores. Un circuito de clase AB surge reemplazando las resistencias conectadas entre las terminales de base de la clase B, por diodos de polarización, como se muestra en la fig. 9. La tensión de polarización aplicada a los transistores en estas condiciones sería igual a la tensión de polarización directa de los diodos. Estos dos diodos son llamados generalmente diodos de polarización o diodos compensadores y son elegidos para que coincidan con las características de sus respectivos transistores. 8

Figura 9. Amp. clase AB con diodos compensadores

Como podemos notar por estas características, el amplificador de clase AB es un compromiso entre las configuraciones de las clases A y B. La clase AB sacrifica un poco de la eficiencia de la clase B en favor de la linealidad, pero aun así es más eficiente que los de la clase A La magnitud de la tensión de polarización entre las bases puede ser aumentada agregando más diodos en serie.

Amplificadores de clase C Los amplificadores de clase C son los más utilizados si se requiere una señal muy amplificada. Con un corto pulso en la entrada, el amplificador entrega una gran potencia a la salida. Ya que la señal tiene polarización negativa, el punto de trabajo del amplificador está más allá del punto de corte, como se muestra en la fig. 10. La señal resultante de salida es fuertemente no lineal y la parte perdida debe ser recuperada con un circuito resonante que convierte los pulsos de corriente del colector en una señal sinusoidal continua. Los pulsos de corriente del colector contienen además muchas armónicas que son filtradas por el circuito sintonizado de salida. La utilización más frecuente para esta clase de amplificadores es en transmisoFigura 10. Caracteristica amp. clase C res de radiofrecuencia, ya que la salida es sintonizada per se. En la fig. 11 se muestra el esquema de un circuito amplificador clase C. 9

Figura 11. Circuito amp. clase C

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Conclusión Del trabajo anterior, se concluye que dos factores primarios determinan la clase de operación de un amplificador: la magnitud de la tensión de polarización y de la característica de la señal de entrada. Con una dada señal de entrada y nivel de polarización, puede cambiarse la operación de clase A a clase B con solo remover la polarización directa. Además, un amplificador de clase A puede cambiarse a clase AB con solo reducir la tensión de polarización. Otros factores que definen la elección de un amplificador para una aplicación en particular son la fidelidad y la eficiencia. La fidelidad es la calidad de reproducción de la señal, o dicho de otro modo, la linealidad de la salida del amplificador. Los amplificadores de clase A y AB son las más fieles mientras que las clases B y C presentan gran distorsión La eficiencia indica la relación entre las potencias de salida y de entrada, por lo tanto, indican la cantidad de energía desperdiciada en el dominio del amplificador. Se mostró además que esta eficiencia es inversamente proporcional a la fidelidad, por lo que soluciones de compromiso son necesarias en casos generales.

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