Amplificador lineal

Un amplificador lineal es un circuito electrónico cuya salida es proporcional a su entrada, pero capaz de suministrar mayor potencia a una carga . El término suele referirse a un tipo de amplificador de potencia de radiofrecuencia (RF) , algunos de los cuales tienen una potencia de salida medida en kilovatios y se utilizan en radioaficionados . Otros tipos de amplificadores lineales se utilizan en equipos de audio y laboratorio . La linealidad se refiere a la capacidad del amplificador para producir señales que son copias exactas de la entrada. Un amplificador lineal responde a los diferentes componentes de frecuencia de forma independiente y tiende a no generar distorsión armónica ni distorsión por intermodulación . Sin embargo, ningún amplificador puede proporcionar una linealidad perfecta, ya que los dispositivos de amplificación (transistores o tubos de vacío ) siguen una función de transferencia no lineal y dependen de técnicas de circuitos para reducir esos efectos. Existen varias clases de amplificadores que ofrecen diferentes compensaciones entre el coste de implementación, la eficiencia y la precisión de la señal.

La linealidad se refiere a la capacidad del amplificador para producir señales que son copias exactas de la señal de entrada, generalmente a niveles de potencia elevados. La impedancia de carga, la tensión de alimentación, la corriente de base de entrada y la capacidad de potencia de salida pueden afectar la eficiencia del amplificador. ^{[ 1 ]}

Los amplificadores de clase A pueden diseñarse para tener una buena linealidad tanto en topologías de terminación simple como de empuje-pull . Los amplificadores de las clases AB1, AB2 y B solo pueden ser lineales cuando se emplea un circuito tanque sintonizado o en la topología de empuje-pull , en la que se utilizan dos elementos activos (tubos, transistores) para amplificar las partes positiva y negativa del ciclo de RF, respectivamente. Los amplificadores de clase C no son lineales en ninguna topología.

Existen diversas clases de amplificadores que ofrecen diferentes ventajas y desventajas en cuanto a costo de implementación, eficiencia y precisión de la señal. A continuación se describe brevemente su uso en aplicaciones de radiofrecuencia:

• Los amplificadores de clase A son muy ineficientes; su eficiencia nunca supera el 50%. El semiconductor o tubo de vacío conduce durante todo el ciclo de radiofrecuencia. La corriente anódica media de un tubo de vacío debe ajustarse al punto medio de la sección lineal de la curva de corriente anódica frente al potencial de polarización de la rejilla.
• Los amplificadores de clase B pueden tener una eficiencia del 60 al 65 %. El semiconductor o el tubo de vacío conduce durante la mitad del ciclo, pero requiere una gran potencia de excitación.
• La clase AB1 es aquella en la que la red presenta un sesgo más negativo que en la clase A.
• En la clase AB2 , la rejilla suele tener una polarización más negativa que en la clase AB1, y la amplitud de la señal de entrada también suele ser mayor. Cuando el variador logra que la rejilla adquiera una polarización positiva, la corriente de la rejilla aumenta.
• Los amplificadores de clase C pueden tener una eficiencia de aproximadamente el 75% con un rango de conducción de unos 120°, pero son muy no lineales . Solo se pueden usar para modos que no sean AM, como FM, CW o RTTY. El semiconductor o tubo de vacío conduce durante menos de la mitad del ciclo de RF. El aumento de eficiencia puede permitir que un tubo de vacío determinado entregue más potencia de RF que la que podría en clase A o AB. Por ejemplo, dos tetrodos 4CX250B que operan a 144MHz pueden entregar 400 vatios en clase A, pero cuando se polarizan en clase C pueden entregar 1000 vatios sin riesgo de sobrecalentamiento. Se necesitará aún más corriente de rejilla. 
• Los amplificadores de clase D utilizan tecnología de conmutación para lograr una alta eficiencia, que a menudo supera el 90%, lo que reduce el consumo de energía en comparación con otros tipos de amplificadores. Debido a la señal digital que los controla, muchos no consideran al amplificador de clase D como un amplificador lineal; sin embargo, numerosos fabricantes de equipos de audio y radio han incorporado su diseño en aplicaciones lineales.

Aunque los amplificadores de potencia (PA) de clase A son los mejores en términos de linealidad, su eficiencia es bastante baja en comparación con otras clases de amplificación, como los amplificadores AB, C y Doherty . Sin embargo, una mayor eficiencia conlleva una mayor no linealidad y la salida del PA se distorsiona, a menudo hasta el punto de no cumplir con los requisitos de rendimiento del sistema. Por lo tanto, se utilizan amplificadores de potencia de clase AB u otras variantes con algún esquema de linealización adecuado, como retroalimentación , prealimentación o predistorsión analógica o digital (DPD). En los sistemas de amplificación de potencia DPD, las características de transferencia del amplificador se modelan muestreando la salida del PA y las características inversas se calculan en un procesador DSP. La señal digital de banda base se multiplica por la inversa de las características de transferencia no lineales del PA, se convierte a frecuencias de RF y se aplica a la entrada del PA. Con un diseño cuidadoso de la respuesta del PA, los motores DPD pueden corregir la distorsión de la salida del PA y lograr mayores eficiencias.

Gracias a los avances en las técnicas de procesamiento de señales digitales, la predistorsión digital (DPD) se utiliza ampliamente en los subsistemas de amplificadores de potencia de RF . Para que una DPD funcione correctamente, las características del amplificador de potencia deben ser óptimas, y existen técnicas de circuitos para optimizar su rendimiento. ^{[ 2 ]}

Algunos amplificadores lineales de uno a dos kilovatios fabricados comercialmente y utilizados en radioaficionados aún emplean tubos de vacío (válvulas) y pueden proporcionar una amplificación de potencia de RF de 10 a 20 veces (10 a 13  dB). Por ejemplo, un transmisor que recibe una entrada de 100 vatios se amplificará a  una salida de 2000 vatios (2 kW) hacia la antena. Los amplificadores lineales de estado sólido son más comunes en el rango de 1000 vatios y pueden ser alimentados con tan solo 5 vatios. ^{[ 3 ]} Los dispositivos de potencia modernos que utilizan tecnología LDMOS permiten obtener amplificadores de potencia de RF lineales más eficientes y rentables para la comunidad de radioaficionados. ^{[ 4 ]}

Los grandes amplificadores lineales de tubos de vacío generalmente dependen de uno o más tubos de vacío alimentados por una fuente de alimentación de muy alto voltaje para convertir grandes cantidades de energía eléctrica en energía de radiofrecuencia. Los amplificadores lineales necesitan operar con polarización de clase A o clase AB , lo que los hace relativamente ineficientes. Si bien la clase C tiene una eficiencia mucho mayor, un amplificador de clase C no es lineal y solo es adecuado para la amplificación de señales de envolvente constante . Dichas señales incluyen FM , FSK , MFSK y CW ( código Morse ). ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Las etapas de salida de los transmisores de radiodifusión AM profesionales de hasta 50  kW deben ser lineales y actualmente se construyen generalmente con tecnologías de estado sólido. Los grandes tubos de vacío todavía se utilizan para transmisores de radiodifusión internacionales de onda larga, media y corta, desde 500  kW hasta 2  MW.

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