Clases de amplificadores de potencia

En electrónica , las clases de amplificadores de potencia son símbolos de letras que se aplican a los diferentes tipos de amplificadores de potencia . La clase proporciona una indicación general de la eficiencia , la linealidad y otras características del amplificador.

En términos generales, a medida que se avanza en el alfabeto, los amplificadores se vuelven más eficientes pero menos lineales, y esta reducción de la linealidad se soluciona mediante otros medios.

Las primeras clases, A, AB, B y C, están relacionadas con el período de tiempo durante el cual el dispositivo amplificador activo está dejando pasar corriente, expresado como una fracción del período de una forma de onda de señal aplicada a la entrada. ^{[ 1 ]} Esta métrica se conoce como ángulo de conducción (${\displaystyle \theta }$). Un amplificador de clase A conduce durante todo el período de la señal (${\displaystyle \theta =360}$°); clase B solo durante la mitad del período de entrada (${\displaystyle \theta =180}$°), clase C durante mucho menos de la mitad del período de entrada (${\displaystyle \theta <<180}$°). La clase AB está entre la clase A y la clase B (${\displaystyle \theta =ca200}$°);

Los amplificadores de clase D y E operan su dispositivo de salida de forma conmutada; la fracción de tiempo durante la cual el dispositivo conduce puede ajustarse para obtener una salida de modulación por ancho de pulso (u otra modulación basada en frecuencia) desde la etapa.

Se definen clases de letras adicionales para amplificadores de propósito especial, con elementos activos adicionales, mejoras en la fuente de alimentación o ajuste de salida; a veces, un fabricante también utiliza un nuevo símbolo de letra para promocionar su diseño patentado.

En diciembre de 2010, las clases AB y D dominaban casi todo el mercado de amplificadores de audio, siendo la primera la preferida en reproductores de música portátiles, audio doméstico y teléfonos celulares debido al menor costo de los chips de clase AB. ^{[ 2 ]}

En las ilustraciones que se muestran a continuación, se representa un transistor de unión bipolar como dispositivo amplificador. Sin embargo, las mismas características se encuentran en los MOSFET o en los tubos de vacío .

En un amplificador de clase A, se utiliza el 100% de la señal de entrada (ángulo de conducción).${\displaystyle \theta =360}$°). El elemento activo permanece en conducción continua. ^{[ 3 ]} Sus transistores de etapa de salida están polarizados para operación en clase A, lo que genera una corriente de drenaje continua. Esto significa que los amplificadores de clase A tienen una eficiencia baja y se genera calor en el transistor, lo que generalmente requiere gestión térmica.

Las subclases A1 y A2 se utilizan a veces para referirse a amplificadores de clase A de tubo de vacío que impulsan la rejilla ligeramente negativa o positiva respectivamente en los picos de la señal para obtener una potencia ligeramente mayor que la de la clase A normal. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Sin embargo, esto conlleva una mayor distorsión de la señal.

En un amplificador de clase B, el dispositivo activo conduce durante 180 grados del ciclo (ángulo de conducción θ = 180°). Debido a que solo se amplifica la mitad de la forma de onda, se presenta una distorsión armónica significativa directamente en la señal de salida. Por lo tanto, los amplificadores de clase B generalmente se operan con carga sintonizada, donde los armónicos se derivan a tierra mediante una serie de resonadores. Otro método para reducir la distorsión, especialmente en frecuencias de audio, es utilizar dos transistores en una configuración push-pull. Cada uno conduce durante la mitad (180°) del ciclo de la señal, y las corrientes de los dispositivos se combinan de manera que la corriente de carga sea continua. ^{[ 12 ]}

En radiofrecuencia , si el acoplamiento a la carga se realiza mediante un circuito sintonizado , se puede utilizar un único dispositivo que opere en clase B, ya que la energía almacenada en dicho circuito proporciona la mitad "faltante" de la forma de onda. Los dispositivos que operan en clase B se utilizan en amplificadores lineales, denominados así porque la potencia de salida de radiofrecuencia es proporcional al cuadrado de la tensión de excitación de entrada. Esto se comprende mejor si se expresa como "la tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada, por lo tanto, la potencia de salida es proporcional a la potencia de entrada". Esta característica evita la distorsión de las señales moduladas en amplitud o en frecuencia que pasan a través del amplificador. Dichos amplificadores tienen una eficiencia cercana al 60%. ^{[ 13 ]}

Cuando los amplificadores de clase B amplifican la señal con dos dispositivos activos, cada uno opera durante la mitad del ciclo. La eficiencia mejora considerablemente con respecto a los amplificadores de clase A. ^{[ 14 ]} Los amplificadores de clase B también son los preferidos en dispositivos alimentados por batería, como las radios de transistores . La clase B tiene una eficiencia teórica máxima de π/4 (≈ 78,5%). ^{[ 15 ]}

Un circuito práctico que utiliza elementos de clase B es la etapa push-pull , como la disposición de par complementario muy simplificada que se muestra a la derecha. Los dispositivos complementarios se utilizan para amplificar las mitades opuestas de la señal de entrada, que luego se recombinan en la salida. Esta disposición ofrece una buena eficiencia, pero suele presentar el inconveniente de una pequeña discrepancia en la región de cruce , en las uniones entre las dos mitades de la señal, ya que un dispositivo de salida debe asumir el suministro de energía justo cuando el otro termina. Esto se denomina distorsión de cruce . Una mejora consiste en polarizar los dispositivos para que no estén completamente apagados cuando no se utilizan. Este enfoque se denomina operación de clase AB . 

En un amplificador de clase AB, el ángulo de conducción es intermedio entre la clase A y la clase B (ángulo de conducción θ > 180°); cada uno de los dos elementos activos conduce más de la mitad del tiempo. La clase AB se considera una buena solución de compromiso para los amplificadores, ya que muchos tipos de señales de entrada son nominalmente lo suficientemente débiles como para permanecer en la región de "clase A", donde se amplifican con buena fidelidad, y por definición, si salen de esta región, serán lo suficientemente grandes como para que los productos de distorsión típicos de la clase B sean relativamente pequeños. La distorsión de cruce se puede reducir aún más mediante el uso de retroalimentación negativa .

En operación de clase AB, cada dispositivo opera de la misma manera que en clase B en la mitad de la forma de onda, pero también conduce una pequeña cantidad en la otra mitad. ^{[ 16 ]} Como resultado, la región donde ambos dispositivos están casi apagados simultáneamente (la "zona muerta") se reduce. El resultado es que cuando se combinan las formas de onda de los dos dispositivos, el cruce se minimiza en gran medida o se elimina por completo. La elección exacta de la corriente de reposo (la corriente estacionaria a través de ambos dispositivos cuando no hay señal) hace una gran diferencia en el nivel de distorsión (y en el riesgo de fuga térmica , que puede dañar los dispositivos). A menudo, el voltaje de polarización aplicado para establecer esta corriente de reposo debe ajustarse con la temperatura de los transistores de salida. (Por ejemplo, en el circuito que se muestra a la derecha, los diodos se montarían físicamente cerca de los transistores de salida y se especificaría que tienen un coeficiente de temperatura coincidente ). Otro enfoque (frecuentemente utilizado con voltajes de polarización de seguimiento térmico) es incluir resistencias de pequeño valor en serie con los emisores.

La clase AB sacrifica algo de eficiencia con respecto a la clase B en favor de la linealidad, por lo que es menos eficiente (normalmente por debajo del 78,5 % para ondas sinusoidales de amplitud completa en amplificadores de transistores; en los amplificadores de válvulas de clase AB es mucho menor). Generalmente es mucho más eficiente que la clase A.

En el diseño de un amplificador de válvulas, a veces se añade un sufijo numérico a la clase, por ejemplo, clase B1. El sufijo 1 indica que no hay corriente de rejilla durante ninguna parte de la forma de onda de entrada, mientras que el sufijo 2 indica que sí la hay. Esta distinción afecta al diseño de las etapas de excitación del amplificador. Los sufijos numéricos no se utilizan en los amplificadores de semiconductores. ^{[ 17 ]}

En un amplificador de clase C, se utiliza menos del 50 % de la señal de entrada (ángulo de conducción θ < 180°). La distorsión es alta y su uso práctico requiere un circuito sintonizado como carga. La eficiencia puede alcanzar el 80 % en aplicaciones de radiofrecuencia. ^{[ 13 ]}

La aplicación habitual de los amplificadores de clase C se encuentra en transmisores de RF que operan a una única frecuencia portadora fija , donde la distorsión se controla mediante una carga sintonizada en el amplificador. La señal de entrada se utiliza para conmutar el dispositivo activo, lo que provoca que fluyan pulsos de corriente a través de un circuito sintonizado que forma parte de la carga. ^{[ 18 ]}

El amplificador de clase C tiene dos modos de operación: sintonizado y no sintonizado. ^{[ 19 ]} El diagrama muestra una forma de onda de un circuito simple de clase C sin la carga sintonizada. Esto se denomina operación no sintonizada, y el análisis de las formas de onda muestra la distorsión masiva que aparece en la señal. Cuando se utiliza la carga adecuada (por ejemplo, un filtro inductivo-capacitivo más una resistencia de carga), suceden dos cosas. La primera es que el nivel de polarización de la salida se limita con una tensión de salida promedio igual a la tensión de alimentación. Por eso, la operación sintonizada a veces se denomina limitador . Esto restaura la forma de onda a su forma correcta, a pesar de que el amplificador solo tenga una alimentación de una polaridad. Esto está directamente relacionado con el segundo fenómeno: la forma de onda en la frecuencia central se vuelve menos distorsionada. La distorsión residual depende del ancho de banda de la carga sintonizada, con muy poca distorsión en la frecuencia central, pero mayor atenuación a medida que la señal se aleja de la frecuencia sintonizada.

El circuito sintonizado resuena a una frecuencia fija, la frecuencia portadora, por lo que se suprimen las frecuencias no deseadas y la carga sintonizada extrae la señal completa deseada (onda sinusoidal). El ancho de banda de la señal del amplificador está limitado por el factor Q del circuito sintonizado, pero esto no representa una limitación importante. Cualquier armónico residual puede eliminarse mediante un filtro adicional.

En los amplificadores prácticos de clase C, se utiliza invariablemente una carga sintonizada. En una configuración común, la resistencia mostrada en el circuito anterior se reemplaza por un circuito sintonizado en paralelo que consta de un inductor y un condensador en paralelo, cuyos componentes se eligen para resonar a la frecuencia de la señal de entrada. La potencia se puede acoplar a una carga mediante un transformador con una bobina secundaria enrollada en el inductor. La tensión promedio en el colector es entonces igual a la tensión de alimentación, y la tensión de señal que aparece a través del circuito sintonizado varía desde casi cero hasta casi el doble de la tensión de alimentación durante el ciclo de RF. El circuito de entrada se polariza de manera que el elemento activo (por ejemplo, un transistor) conduzca solo durante una fracción del ciclo de RF, generalmente un tercio (120 grados) o menos. ^{[ 20 ]}

El elemento activo conduce únicamente mientras la tensión del colector pasa por su valor mínimo. De este modo, se minimiza la disipación de potencia en el dispositivo activo y se incrementa la eficiencia. Idealmente, el elemento activo solo permitiría el paso de un pulso de corriente instantáneo cuando la tensión entre sus terminales es cero: en ese caso, no disipa potencia y se alcanza una eficiencia del 100 %. Sin embargo, los dispositivos prácticos tienen un límite en la corriente máxima que pueden soportar, por lo que el pulso debe ampliarse, hasta aproximadamente 120 grados, para obtener una cantidad de potencia razonable, y la eficiencia se sitúa entonces entre el 60 % y el 70 %. ^{[ 20 ]}

Los amplificadores de clase D utilizan algún tipo de modulación por ancho de pulso para controlar los dispositivos de salida. El ángulo de conducción de cada dispositivo ya no está directamente relacionado con la señal de entrada, sino que varía en función del ancho del pulso.

En el amplificador de clase D, los dispositivos activos (transistores) funcionan como interruptores electrónicos en lugar de dispositivos de ganancia lineal; están encendidos o apagados. La señal analógica se convierte en una secuencia de pulsos que la representa mediante modulación por ancho de pulso , modulación por densidad de pulso , modulación delta-sigma o una técnica de modulación similar antes de aplicarse al amplificador. El valor de potencia promedio en el tiempo de los pulsos es directamente proporcional a la señal analógica, por lo que, después de la amplificación, la señal se puede convertir de nuevo a una señal analógica mediante un filtro pasivo de paso bajo . El propósito del filtro de salida es suavizar la secuencia de pulsos para convertirla en una señal analógica, eliminando los componentes espectrales de alta frecuencia de los pulsos. La frecuencia de los pulsos de salida suele ser diez o más veces la frecuencia más alta de la señal de entrada que se va a amplificar, de modo que el filtro pueda reducir adecuadamente los armónicos no deseados y reproducir con precisión la entrada. ^{[ 21 ]}

La principal ventaja de un amplificador de clase D es su eficiencia energética. Se puede alcanzar una eficiencia superior al 90 % con MOSFETs, y es bastante común que supere el 80 %. Dado que los pulsos de salida tienen una amplitud fija, los elementos de conmutación (generalmente MOSFETs , aunque también se han utilizado tubos de vacío y transistores bipolares ) se activan o desactivan completamente, en lugar de operar en modo lineal. Un MOSFET generalmente opera con la menor resistencia en estado activo cuando está completamente encendido y, por lo tanto (excepto cuando está completamente apagado), tiene la menor disipación de potencia en esa condición. En comparación con un dispositivo equivalente de clase AB, las menores pérdidas de un amplificador de clase D permiten el uso de disipadores de calor más pequeños para los MOSFETs, a la vez que reducen la potencia de entrada requerida, lo que permite un diseño de fuente de alimentación de menor capacidad. Por consiguiente, los amplificadores de clase D suelen ser más pequeños que un amplificador equivalente de clase AB.

Otra ventaja del amplificador de clase D es que puede funcionar con una fuente de señal digital sin necesidad de un convertidor digital-analógico (DAC) para convertir primero la señal a formato analógico. Si la fuente de señal es digital, como en un reproductor multimedia digital o una tarjeta de sonido de ordenador , el circuito digital puede convertir la señal digital binaria directamente en una señal de modulación por ancho de pulso (PWM) que se aplica al amplificador, simplificando considerablemente el circuito y reduciendo las posibilidades de entrada de ruido.

Un amplificador de clase D con potencia de salida moderada puede construirse utilizando un proceso lógico CMOS convencional, lo que lo hace adecuado para su integración con otros tipos de circuitos digitales. Por ello, se encuentra comúnmente en sistemas en chip (SoC) con audio integrado, donde el amplificador comparte un chip con el procesador principal o DSP.

Si bien los amplificadores de clase D se utilizan ampliamente para controlar motores , también se emplean como amplificadores de potencia. Sin embargo, si la señal no está modulada por impulsos antes de la amplificación, debe convertirse, lo que puede requerir circuitos adicionales. Incluso se han modificado fuentes de alimentación conmutadas para convertirlas en amplificadores de clase D rudimentarios (aunque, por lo general, estos solo reproducen bajas frecuencias con una precisión aceptable).

Los amplificadores de potencia de audio de clase D de alta calidad están fácilmente disponibles en el mercado.  En 2009, se observó un rango dinámico de 118 dB en un producto de consumo de gama alta. Sin embargo, la mayoría se mantiene cerca de los 100  dB en la actualidad [2022] debido a consideraciones prácticas de costos. Se ha dicho que estos diseños rivalizan con los amplificadores tradicionales de clase A y AB en términos de calidad. Un uso temprano de los amplificadores de clase D fue en amplificadores de subwoofer de alta potencia para automóviles. Dado que los subwoofers generalmente están limitados a un ancho de banda no superior a 150  Hz, la velocidad de conmutación del amplificador no tiene que ser tan alta como para un amplificador de rango completo, lo que permite diseños más simples. Los amplificadores de clase D para alimentar subwoofers son relativamente económicos en comparación con los amplificadores de clase AB.

La letra D que se usa para designar esta clase de amplificador es simplemente la letra siguiente a la C y, aunque ocasionalmente se usa como tal, no significa digital . Los amplificadores de clase D y clase E a veces se describen erróneamente como "digitales" porque la forma de onda de salida se asemeja superficialmente a un tren de pulsos de símbolos digitales, pero un amplificador de clase D simplemente convierte una forma de onda de entrada en una señal analógica modulada por ancho de pulso continuo . (Una forma de onda digital sería modulada por código de pulsos ).

Otras clases de amplificadores son principalmente variaciones de las clases anteriores. Por ejemplo, los amplificadores de clase G y clase H se caracterizan por la variación de las líneas de alimentación (en pasos discretos o de forma continua, respectivamente) siguiendo la señal de entrada. El calor disipado en los dispositivos de salida se puede reducir al minimizar el exceso de voltaje. El amplificador que se alimenta con estas líneas puede ser de cualquier clase. Este tipo de amplificadores son más complejos y se utilizan principalmente en aplicaciones especializadas, como unidades de muy alta potencia. Asimismo, los amplificadores de clase E y clase F se describen comúnmente en la literatura para aplicaciones de radiofrecuencia donde la eficiencia de las clases tradicionales es importante, pero varios aspectos se desvían sustancialmente de sus valores ideales. Estas clases utilizan la sintonización armónica de sus redes de salida para lograr una mayor eficiencia y pueden considerarse un subconjunto de la clase C debido a sus características de ángulo de conducción.

Clases G y H

Existen diversos diseños de amplificadores que optimizan las etapas de salida de clase AB mediante técnicas más eficientes para lograr una mayor eficiencia con baja distorsión. Estos diseños son comunes en amplificadores de audio de gran tamaño, ya que los disipadores de calor y los transformadores de potencia serían excesivamente grandes (y costosos) sin estas mejoras de eficiencia. Los términos "clase G" y "clase H" se utilizan indistintamente para referirse a diferentes diseños, cuya definición varía según el fabricante o la publicación.

Los amplificadores de clase G (que utilizan la conmutación de rieles para disminuir el consumo de energía y aumentar la eficiencia) son más eficientes que los de clase AB. Estos amplificadores proporcionan varios rieles de alimentación a diferentes voltajes y conmutan entre ellos a medida que la señal de salida se aproxima a cada nivel. De esta forma, el amplificador aumenta su eficiencia al reducir la potencia desperdiciada en los transistores de salida. Los amplificadores de clase G son más eficientes que los de clase AB, pero menos eficientes que los de clase D. Sin embargo, no presentan los efectos de interferencia electromagnética propios de la clase D.

Los amplificadores de clase H generan una tensión de alimentación analógica infinitamente variable. A veces se les denomina seguidores de tensión. Esto se logra modulando las tensiones de alimentación para que sean solo unos pocos voltios mayores que la señal de salida que las sigue en cada momento. La etapa de salida opera con su máxima eficiencia en todo momento. Esto se debe a la capacidad del circuito para mantener los transistores de alimentación (T2 y T4) en corte hasta que un pico de tensión musical tenga la magnitud suficiente para requerir la tensión adicional de las fuentes de alimentación de +80 V y -80 V. Consulte el diagrama. El amplificador de clase H puede considerarse como dos amplificadores en serie. En el ejemplo del diagrama, los amplificadores con una tensión de alimentación de +/-40 V pueden producir unos 100 vatios continuos en una carga de 8 ohmios. Si la señal de salida opera por debajo de 40 voltios, el amplificador solo presenta las pérdidas asociadas a un amplificador de 100 W. Esto se debe a que los dispositivos superiores de clase H, T2 y T4, solo se utilizan cuando la señal musical tiene una potencia de salida de entre 100 y 400 vatios. La clave para comprender esta eficiencia sin alterar los números reales es que tenemos un amplificador con capacidad para 400 vatios, pero con la eficiencia de uno de 100 vatios. Esto se debe a que las formas de onda de la música contienen largos periodos inferiores a 100 vatios y solo breves ráfagas de hasta 400 vatios ; en otras palabras, las pérdidas a 400 vatios se producen durante breves periodos de tiempo. Si este ejemplo se representara como una clase AB con solo las fuentes de alimentación de 80 V en lugar de las de 40 V, los transistores T1 y T3 tendrían que estar en conducción durante toda la señal de 0 V a 80 V, con las pérdidas correspondientes a lo largo de todo el periodo de la onda, no solo durante las breves ráfagas de alta energía. Para lograr este control de seguimiento de riel, T2 y T4 actúan como amplificadores de corriente, cada uno en serie con su contraparte de bajo voltaje, T1 y T3. El propósito de T2 y T3 es permitir la polarización inversa del diodo D2 cuando la salida del amplificador está en un pico positivo (superior a 39,3 V) y la polarización inversa de D4 cuando la salida está en un pico negativo inferior a -39,3 V. Durante los picos musicales de 100 a 400 vatios, las líneas de +/-40 V no suministran corriente, ya que toda la corriente proviene de las líneas de +/-80 V. Sin embargo, esta figura es demasiado simplista, ya que en realidad no controlará los transistores T2 y T4. Esto se debe a que los diodos D1 y D3, que están destinados a proporcionar una ruta para que la tensión de salida regrese a los dispositivos superiores, siempre están polarizados inversamente. Se extraen en sentido inverso. En lugar de estos diodos, en un diseño real se necesitaría un amplificador de tensión con ganancia que utilice vout como entrada. Existe otra razón para este requisito de ganancia entre vout y la base T2 en un diseño real de clase H, y es asegurar que la señal aplicada a T2 siempre esté "adelantada" a la señal Vout para que nunca pueda "alcanzar" al seguidor de riel.El amplificador del seguidor de riel podría tener una velocidad de respuesta de 50 V/μs, mientras que el amplificador de clase AB podría tener solo una velocidad de respuesta de 30 V/μs para garantizar esto.

• Amplificador de clase T
• Amplificador de clase XD