Circuitos de RF y las Comunicaciones Analógicas. Capítulo VII: Amplificadores de RF de potencia

Transcripción

1 Capítulo VII: Amplificadores de RF de potencia 109

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3 7. Amplificadores RF de potencia 7.1 Introducción El amplificador de potencia (PA) es la última etapa de un trasmisor. Tiene la misión de amplificar la potencia de la señal (no necesariamente la tensión) y transmitirla a la antena con la máxima eficiencia. En eso se parecen a los amplificadores de baja frecuencia, pero aquí la distorsión o falta de linealidad puede no ser importante. 7.2 Clasificación de los amplificadores de potencia Los amplificadores de potencia tradicionales emplean dispositivos activos (BJT o MOSFET) que se comportan como fuentes de corriente controladas por tensión. Estos se clasifican atendiendo a la fracción del periodo de la señal en que los dispositivos permanecen en conducción. Si la entrada es una función sinusoidal, su argumento se incrementa 360º a cada periodo de señal. La fracción del periodo en que los dispositivos conducen se mide por el semiángulo de conducción, θ, que está comprendido entre 0 y 180º. Fig. 7.1 Transistor de potencia para RF típico Se definen tres clases de amplificadores de potencia: Clase A: θ = 180º (conducen siempre) Clase B: θ = 90º (conducen medio periodo) Clase C: θ < 90º (conducen menos de medio periodo) Cuanto menor es θ mayor es la eficiencia pero menor es la linealidad. Existe otro tipo de amplificadores de potencia donde los dispositivos funcionan en conmutación. Actúan como interruptores que pasan alternativamente de corte a conducción. La eficiencia es teóricamente del 100% puesto que un interruptor ideal no consume potencia en ninguno de los dos estados: en corte i = 0 y en conducción v = 0. En la práctica la eficiencia se reduce porque hay pérdidas de potencia durante el transitorio de conmutación. Por eso se han ideado diferentes esquemas que minimizan estas pérdidas. Estos amplificadores reciben distintos nombres (clase D, E, F, ) a partir del momento en que se les reconoce su innovación respecto a los existentes. 111

4 7.3 Clase A Fig. 7.2 Clasificación de amplificadores de potencia En este tipo de amplificador, el elemento activo está siempre en zona activa. De todos los tipos es el que produce menos distorsión, pero también el que tiene menor rendimiento. En consecuencia, el ángulo de conducción es de 360 y produce una réplica amplificada de voltaje de la señal de entrada. Este tipo de amplificador es comúnmente empleado en transmisores de Banda Lateral Única (SSB: Singled Side Band) Su esquema es similar al de un amplificador de pequeña señal. De las configuraciones básicas se elige la de EC: Emisor común para transistores BJT, porque tiene mayor ganancia en potencia. El circuito con BJT se muestra en la fig Fig. 7.3 Amplificador Clase A con transistor BJT 112

5 El punto Q de reposo, se selecciona para conservar siempre el transistor en la región activa. Por tanto, el transistor puede modelarse como se muestra en la Fig Fig. 7.4 Esquema del Amplificador Clase A Fig. 7.5 Modelamiento de transistor BJT en Clase A En consecuencia las tensiones de entrada y salida del amplificador clase A muestran en la Fig. 7.4 Fig. 7.6 Tensiones de entrada y salida del amplificador clase A 113

6 Las curvas características para cada una de los nodos del amplificador de la Fig. 7.4 se muestran en la Fig. 7.5, para una señal de entrada sinusoidal. Fig. 7.7 Curvas generadas en el amplificador Clase A Las ecuaciones que caracterizan este amplificador son: (7.1) (7.2) (7.3) (7.4) 114

7 En reposo la tensión sobre la inductancia es nula por lo que V CEQ = V CC. Pero la inductancia mantiene una corriente constante I CQ, es decir que para c.a. se comporta como un circuito abierto. La amplitud máxima de v o, V p, que se puede lograr es V CC y para eso es necesario que I CQ R L > V CC La potencia entregada a la carga es: (7.5) Potencia de entrada: (7.6) Eficiencia: (7.7) En el caso: e Por tanto la eficiencia máxima será: (7.8) En consecuencia, los amplificadores de potencia de RF clase A se usan más comúnmente como amplificadores de excitación de bajo nivel (drivers). Cabe anotar que el consumo de potencia es independiente del nivel de señal. Cuando no hay señal el rendimiento es nulo y además toda la potencia consumida se disipa en el transistor que va requerir un buen diseño del disipador de potencia. En la práctica el rendimiento suele estar alrededor del 15%. 7.4 Clase B En el amplificador clase B los elementos activos están en zona activa durante la mitad del tiempo en cada ciclo de la señal si es un BJT, o en saturación si se trata de un MOSFET. Es posible utilizar el mismo esquema del clase A, el cual se muestra en la figura 6.1, pero ahora con V BB 0.7, de forma que el BJT sólo conduce cuando v i > 0. En este caso es imprescindible poner en paralelo con R L un circuito LC sintonizado que elimina todos los armónicos y deja pasar a la carga únicamente la componente fundamental. 115

8 Sin embargo el amplificador clase B que se va a analizar es otro, se trata del que utiliza dos transistores complementarios y que está representado en la Fig. 6.6 con dos BJT complementarios. En este caso no es necesario poner un circuito LC sintonizado en paralelo con RL. También aquí se elige V BB 0.7, para que cuando el voltaje de entrada sea vi > 0 conduzca Q1 y cuando sea vi < 0 conduzca Q2. Admitiendo que los parámetros del modelo en pequeña señal de ambos BJT son iguales (matching) y que tienen el mismo valor desde el momento en que éstos entran en zona activa, sus corrientes de colector en el semiciclo que conducen son proporcionales a vi. Fig. 7.8 Amplificador Clase A y Clase B. Fig. 7.9 Amplificador Clase B con transistores complementarios 116

9 Los dos transistores se excitan desfasados 180 para que cada uno esté activo medio ciclo y no opere el resto. Los dispositivos son lineales y cada uno es una fuente de corriente de media sinusoide y amplitud Icm. Durante medio ciclo, solo medio devanado de T1lleva corriente: A su vez genera un voltaje de salida: (7.9) (7.10) Voltaje en el colector de Q1: (7.11) Donde: (7.12) R es la resistencia vista a través de la mitad del devanado primario con la otra mitad abierta. (7.13) Mantener un voltaje de colector negativo requiere que salida a: ; limitando así la potencia de (7.14) 117

10 Fig Curvas generadas en el amplificador clase B La corriente puede calcularse como: (7.15) La eficiencia en este caso es: (7.16) Como el voltaje pico de colector es:, la corriente pico de colector es: 118

11 La eficiencia máxima será: (7.17) La disipación máxima en cada transistor es: (7.18) Y tiene lugar en: (7.19) Es de anotar que en clase B si no hay señal no se consume potencia. Pero el máximo rendimiento sólo se consigue cuando V pico =. No obstante, el amplificador no es tan lineal como el clase A, especialmente por la distorsión de cruce, justo en el momento en que un transistor se corta y empieza a conducir el otro. Los transistores de este amplificador trabajan en colector común (CC), no ganan en tensión, sólo en corriente. Si la tensión de entrada no es suficiente hace falta una etapa previa de ganancia en tensión. 7.5 Clase C: En esta clase de amplificadores el elemento activo conduce un tiempo t 1 t 2 en cada periodo T = 2π/ω o, de forma que el semiángulo de conducción, definido como 2θ ο = ω o (t 1 t 2 ) sea inferior a π/2. En el clase B: θ ο = π/2, mientras que θ ο = π en el clase A. Se utilizan en amplificadores de señales de onda continua (CW), modulación de frecuencia (FM) y Modulación de amplitud (AM). La variación de amplitud que se requiere para una señal AM, se realiza variando el voltaje de alimentación del amplificador de potencia. La Fig. 6.8 muestra un esquema del amplificador clase C con transistor BJT. La tensión V BB es ahora negativa, de forma que el BJT sólo entra en zona activa alrededor del máximo de v i, cuando v i + V BB > 0.7 V. 119

12 Fig.7.11 Amplificador clase C con transistor Mosfet La corriente de colector en función del semiángulo de conducción es: (7.20) La corriente de polarización es negativa en el amplificador clase C. Llamando 2y el ángulo de conducción, el semiángulo de conducción establece el modo del amplificador clase C: (7.21) Polarización: Corriente de alimentación requerida: (7.22) (7.23) Potencia de entrada: Magnitud del voltaje de salida: (7.24) 120

13 Las curvas características del amplificador clase C se muestran en la Fig. 6.9 Fig Curvas características del amplificador clase C 121

14 Potencia de salida: (7.25) Eficiencia: (7.26) La eficiencia en clase C es más elevada que en clase A ó B. Cuando, La eficiencia puede relacionarse con el semiángulo de conducción. Fijando: : (7.27) Entonces la eficiencia máxima será: (7.28) Ejemplo 7.1 Diseñe un amplificador de potencia clase C para entregar 25W a una carga de 50 Ω con (sin saturar) y. Solución: implica: Este valor se obtiene mediante una red de acople del tipo con o mayor. 122

15 Mediante una solución iterativa de ensayo y error se obtiene:, para una eficiencia máxima del 85% Insertando y en Para estos valores de corriente: Voltaje máximo del dispositivo: 2x12=24 volt. Cabe anotar que, a diferencia del amplificador clase A o B, el clase C no es un amplificador lineal: la salida es nula hasta que la amplitud de la tensión de entrada supera V BB Este amplificador sólo puede usarse para FM o PM porque emplea señales de amplitud constante o para señales digitales y de banda estrecha. 7.6 Clase D. Este es el tipo básico de amplificador en que los transistores trabajan en conmutación, pasan del estado de corte al de conducción y viceversa de forma instantánea. Su esquema se muestra en la figura La señal de entrada, v in, debe ser cuadrada y de suficiente amplitud para llevar los transistores alternativamente de corte a saturación (de corte a zona lineal si son MOSFETs). Trabajando en este modo el transistor se puede asimilar a un interruptor ideal (abierto en corte, cerrado en saturación). Este tipo de amplificadores no son lineales (muchas veces ni siquiera ganan en tensión, sólo en corriente), sólo se pueden aplicar a señales de amplitud constante, como por ejemplo las moduladas en PM o en FM (pero de banda muy estrecha), o a señales digitales. 123

16 En RF no se suelen emplear debido a que las pérdidas de conmutación en los transistores son elevadas. Estas pérdidas se producen en los transitorios de corte a conducción y de conducción a corte, porque durante los transitorios ni la corriente ni la tensión en el transistor es nula. 7.7 Adaptadores de impedancia. Generalmente, los amplificadores de potencia llevan una red adaptadora de impedancia entre el transistor de salida y la carga como muestra la figura El objetivo es doble: primero que la impedancia vista desde el colector del transistor tenga el valor adecuado a la potencia de salida deseada, y segundo, minimizar las pérdidas de potencia debidas a los elementos parásitos del transistor. 7.8 Ejercicios propuestos Diseñar un amplificador de potencia CLASE B que entregue 100 watts a una carga de 50 ohmios. Asumir a. Dibuje el circuito amplificador. b. Calcule (Potencia de entrada DC). c. Halle la eficiencia ( ). d. Encuentre la disipación máxima de cada transistor Diseñe un amplificador de potencia CLASE C empleando un transistor MOSFET que entregue una potencia de 100 watts a una carga de 50 Ω mediante una red acopladora con. Ángulo de conducción (1.285 radianes). Frecuencia de operación de 100 MHz Fuente de Alimentación:. Sin considerar los efectos de saturación, calcule: a. Resistencia de carga. b. Eficiencia máxima ( máx) c. d. e Un amplificador de potencia Clase C con las siguientes especificaciones: Potencia de salida: 50 Watts sobre una carga de 50 ohms. Vcc = +28 volts. Semiángulo de conducción: y=66 Frecuencia de operación: 120 MHz. 124

17 Calcule: a. La resistencia vista en el colector del transistor. b. Determine la eficiencia máxima del amplificador. c. Determine la corriente en el punto Q: 125

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