Figuras de mérito del amplificador

En electrónica , los parámetros de rendimiento de un amplificador son medidas numéricas que caracterizan sus propiedades y desempeño. Estos parámetros pueden presentarse como una lista de especificaciones que incluyen propiedades como ganancia , ancho de banda , ruido y linealidad , entre otras que se detallan en este artículo. Los parámetros de rendimiento son importantes para determinar la idoneidad de un amplificador específico para un uso determinado.

La ganancia de un amplificador es la relación entre la potencia de salida y la amplitud de entrada, y se suele medir en decibelios (dB ). Cuando se mide en decibelios, se relaciona logarítmicamente con la relación de potencia: G (dB) = 10 log( P _salida / P _entrada ). Los amplificadores de RF suelen especificarse en términos de la ganancia de potencia máxima que se puede obtener, mientras que la ganancia de voltaje de los amplificadores de audio y de instrumentación se especifica con mayor frecuencia. Por ejemplo, un amplificador de audio con una ganancia de 20  dB tendrá una ganancia de voltaje de diez.

El uso del factor de ganancia de voltaje es apropiado cuando la impedancia de entrada del amplificador es mucho mayor que la impedancia de la fuente, y la impedancia de carga es mayor que la impedancia de salida del amplificador.

Si se comparan dos amplificadores equivalentes, el amplificador con ajustes de ganancia más altos sería más sensible, ya que requeriría menos señal de entrada para producir una cantidad determinada de potencia. ^{[ 1 ]}

El ancho de banda de un amplificador es el rango de frecuencias para el cual el amplificador ofrece un rendimiento satisfactorio. La definición de rendimiento satisfactorio puede variar según la aplicación. Sin embargo, una métrica común y ampliamente aceptada son los puntos de media potencia (es decir, la frecuencia donde la potencia se reduce a la mitad de su valor máximo) en la curva de salida frente a la frecuencia. Por lo tanto, el ancho de banda se puede definir como la diferencia entre los puntos de media potencia inferior y superior. Esto también se conoce como ancho de banda de -3 dB . Los anchos de banda (también llamados "respuestas en frecuencia") para otras tolerancias de respuesta a veces se citan ( -1 dB , -6 dB , etc.) o "más o menos 1 dB" (aproximadamente la diferencia de nivel de sonido que las personas suelen percibir).

La ganancia de un amplificador de audio de rango completo de buena calidad será esencialmente plana entre 20  Hz y aproximadamente 20  kHz (el rango de audición humana normal ). En el diseño de amplificadores de ultra alta fidelidad, la respuesta de frecuencia del amplificador debe extenderse considerablemente más allá de este rango (una o más octavas a cada lado) y podría tener puntos de −3 dB  < 10 Hz y > 65  kHz . Los amplificadores profesionales para giras a menudo tienen filtrado de entrada y/o salida para limitar drásticamente la respuesta de frecuencia más allá de 20  Hz-20  kHz ; de lo contrario, se desperdiciaría demasiada potencia de salida potencial del amplificador en frecuencias infrasónicas y ultrasónicas , y aumentaría el peligro de interferencia de radio AM. Los amplificadores de conmutación modernos necesitan un filtrado de paso bajo pronunciado en la salida para eliminar el ruido de conmutación de alta frecuencia y los armónicos .

El rango de frecuencia en el que la ganancia es igual o superior al 70,7% de su ganancia máxima se denomina ancho de banda. ^{[ 2 ]}

La eficiencia mide la cantidad de energía de la fuente que se aplica de forma útil a la salida del amplificador. Los amplificadores de clase A son muy ineficientes, con una eficiencia que oscila entre el 10 % y el 20 %, y una eficiencia máxima del 25 % para el acoplamiento directo de la salida. El acoplamiento inductivo de la salida puede aumentar su eficiencia hasta un máximo del 50 %.

La eficiencia de drenaje es la relación entre la potencia de RF de salida y la potencia de CC de entrada cuando la potencia de CC de entrada primaria se ha aplicado al drenaje de un transistor de efecto de campo . Según esta definición, la eficiencia de drenaje no puede superar el 25 % para un amplificador de clase A que recibe corriente de polarización de drenaje a través de resistencias (ya que la señal de RF tiene su nivel cero en aproximadamente el 50 % de la CC de entrada). Los fabricantes especifican eficiencias de drenaje mucho mayores, y los diseñadores pueden obtener eficiencias más altas proporcionando corriente al drenaje del transistor a través de un inductor o un devanado de transformador. En este caso, el nivel cero de RF está cerca del riel de CC y oscilará tanto por encima como por debajo del riel durante el funcionamiento. Mientras el nivel de voltaje está por encima del riel de CC, el inductor suministra corriente.

Los amplificadores de clase B tienen una eficiencia muy alta, pero resultan poco prácticos para aplicaciones de audio debido a sus altos niveles de distorsión (véase: Distorsión de cruce ). En la práctica, el diseño de clase AB es el resultado de un compromiso. Los amplificadores modernos de clase AB suelen tener eficiencias máximas de entre el 30 y el 55 % en sistemas de audio y entre el 50 y el 70 % en sistemas de radiofrecuencia, con un máximo teórico del 78,5 %.

Los amplificadores de conmutación de clase D disponibles comercialmente han alcanzado eficiencias de hasta el 90%. Los amplificadores de clase CF suelen ser conocidos por su alta eficiencia. RCA fabricó un transmisor de radiodifusión AM que empleaba un único triodo de clase C de baja ganancia con una eficiencia de RF cercana al 90%.

Los amplificadores más eficientes se calientan menos y, a menudo, ni siquiera necesitan ventiladores, incluso en diseños de varios kilovatios. Esto se debe a que la pérdida de eficiencia genera calor como subproducto de la energía que se pierde durante la conversión de potencia. En los amplificadores más eficientes, la pérdida de energía es menor y, por lo tanto, se genera menos calor.

En los amplificadores de potencia lineales de RF, como los utilizados en estaciones base celulares y transmisores de radiodifusión, se pueden emplear técnicas de diseño especiales para mejorar la eficiencia. Los diseños Doherty, que utilizan una segunda etapa de salida como amplificador de pico, pueden elevar la eficiencia del típico 15 % hasta un 30-35 % en un ancho de banda estrecho. Los diseños de seguimiento de envolvente (Envelope Tracking) permiten alcanzar eficiencias de hasta el 60 %, modulando la tensión de alimentación del amplificador en función de la envolvente de la señal.

Un amplificador ideal sería un dispositivo totalmente lineal, pero los amplificadores reales solo son lineales dentro de ciertos límites.

Cuando se aumenta la señal que llega al amplificador, la salida también aumenta hasta que se alcanza un punto en el que alguna parte del amplificador se satura y no puede producir más salida; esto se llama recorte y produce distorsión .

En la mayoría de los amplificadores, se produce una reducción de ganancia antes de que se produzca la saturación brusca; el resultado es un efecto de compresión que, si se trata de un amplificador de audio, resulta mucho menos desagradable al oído. Para estos amplificadores, el  punto de compresión de 1 dB se define como la potencia de entrada (o de salida) en la que la ganancia es 1  dB menor que la ganancia de señal pequeña. En ocasiones, esta no linealidad se diseña deliberadamente para reducir la molestia audible de la saturación brusca bajo sobrecarga.

Los efectos negativos de la no linealidad pueden reducirse mediante la retroalimentación negativa.

La linealización es un campo emergente, y existen muchas técnicas, como la realimentación directa , la predistorsión y la postdistorsión, para evitar los efectos no deseados de las no linealidades.

Esta es una medida de la cantidad de ruido introducido en el proceso de amplificación. El ruido es un producto indeseable pero inevitable de los dispositivos y componentes electrónicos; además, gran parte del ruido se debe a la optimización intencionada del tiempo de fabricación y diseño. La métrica para el rendimiento de ruido de un circuito es el factor de ruido . El factor de ruido compara la relación señal/ruido de salida con el ruido térmico de la señal de entrada.

El rango dinámico de salida es el intervalo, generalmente expresado en dB, entre los niveles de salida útiles mínimo y máximo. El nivel útil mínimo está limitado por el ruido de salida , mientras que el máximo suele estar limitado por la distorsión. La relación entre estos dos se denomina rango dinámico del amplificador. Más precisamente, si S = potencia máxima de señal permitida y N = potencia de ruido, el rango dinámico DR es DR = (S + N) / N. ^{[ 3 ]}

En muchos amplificadores de modo conmutado, el rango dinámico está limitado por el tamaño mínimo del paso de salida.

La velocidad de respuesta (slew rate) es la velocidad máxima de cambio de la señal de salida, que generalmente se expresa en voltios por segundo (o microsegundo). Muchos amplificadores están limitados por la velocidad de respuesta (normalmente debido a que la impedancia de la corriente de excitación debe superar los efectos capacitivos en algún punto del circuito), lo que a veces limita el ancho de banda de potencia total a frecuencias muy inferiores a la respuesta en frecuencia de pequeña señal del amplificador.

El tiempo de subida , tr _, de un amplificador es el tiempo que tarda la salida en cambiar del 10% al 90% de su nivel final cuando se le aplica una entrada escalón . Para un sistema de respuesta gaussiana (o una atenuación RC simple ), el tiempo de subida se aproxima mediante:

t _r * BW = 0,35 , donde t _r es el tiempo de subida en segundos y BW es el ancho de banda en Hz .

El tiempo que tarda la salida en estabilizarse dentro de un cierto porcentaje del valor final (por ejemplo, 0,1 %) se denomina tiempo de estabilización y se suele especificar para amplificadores verticales de osciloscopio y sistemas de medición de alta precisión. El efecto de oscilación se refiere a una variación de la salida que oscila por encima y por debajo del valor final del amplificador y provoca un retraso en la obtención de una salida estable. Este efecto es el resultado de un sobreimpulso causado por un circuito subamortiguado .

En respuesta a una entrada escalón, el sobreimpulso es la cantidad en que la salida excede su valor final de estado estacionario.

La estabilidad es un problema común en todos los amplificadores con retroalimentación, ya sea que esta se añada intencionalmente o de forma involuntaria. Este problema se agrava especialmente cuando se aplica a múltiples etapas de amplificación.

La estabilidad es un aspecto fundamental en los amplificadores de radiofrecuencia y microondas . El grado de estabilidad de un amplificador se puede cuantificar mediante un factor de estabilidad. Existen varios factores de estabilidad, como el factor de estabilidad de Stern y el factor de estabilidad de Linvil, que especifican una condición que debe cumplirse para la estabilidad absoluta de un amplificador en función de sus parámetros de dos puertos .

• Mediciones del sistema de audio
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