Clases de amplificador de potencia

En electrónica , las clases de amplificadores de potencia son símbolos de letras que se aplican a diferentes tipos de amplificadores de potencia . La clase brinda una indicación amplia de las características y el rendimiento de un amplificador . Las primeras tres clases están relacionadas con el período de tiempo en el que el dispositivo amplificador activo pasa corriente, expresado como una fracción del período de una forma de onda de señal aplicada a la entrada. Esta métrica se conoce como ángulo de conducción (θ). Un amplificador clase A conduce durante todo el periodo de la señal (θ=360°); Clase B sólo durante la mitad del período de entrada (θ=180°), clase C durante mucho menos de la mitad del período de entrada (θ<180°). Los amplificadores de clase D operan su dispositivo de salida de forma conmutada; la fracción del tiempo que el dispositivo está conduciendo se puede ajustar de modo que se pueda obtener una salida de modulación de ancho de pulso (u otra modulación basada en frecuencia) desde el escenario.

Se definen clases de letras adicionales para amplificadores de propósito especial, con elementos activos adicionales, mejoras en la fuente de alimentación o sintonización de salida; A veces, un fabricante también utiliza un nuevo símbolo de letra para promover 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 móviles debido al menor costo de los chips de clase AB. [1]

Clases de amplificador de potencia

Los circuitos amplificadores de potencia (etapas de salida) se clasifican como A, B, AB y C para diseños lineales , y clases D y E para diseños de conmutación. Las clases generalmente se basan en la proporción de cada ciclo de entrada (ángulo de conducción) durante el cual un dispositivo amplificador pasa corriente. [2] La imagen del ángulo de conducción se deriva de la amplificación de una señal sinusoidal. Si el dispositivo está siempre encendido, el ángulo de conducción es de 360°. Si está encendido solo durante la mitad de cada ciclo, el ángulo es de 180°. El ángulo de flujo está estrechamente relacionado con la eficiencia energética del amplificador .

En las ilustraciones siguientes, se muestra un transistor de unión bipolar como dispositivo amplificador. Sin embargo, los mismos atributos se encuentran con los MOSFET o tubos de vacío .

Clase A

Amplificador clase A

En un amplificador de clase A se utiliza el 100% de la señal de entrada (ángulo de conducción θ = 360°). El elemento activo permanece conduciendo [3] todo el tiempo.

Los dispositivos amplificadores que funcionan en clase A conducen en todo el rango del ciclo de entrada. Un amplificador de clase A se distingue porque los dispositivos de la etapa de salida están polarizados para operación de clase A. La subclase A2 se utiliza a veces para referirse a las etapas de clase A de tubos de vacío que impulsan la rejilla ligeramente positiva en los picos de señal para obtener un poco más de potencia que la clase A normal (A1; donde la rejilla siempre es negativa [4] [5] ). Sin embargo, esto genera una mayor distorsión de la señal [ cita necesaria ] . Debido a que los transistores polarizados para clase A esencialmente siempre tienen corriente de drenaje, su eficiencia es pobre y se genera calor en el transistor.

Ventajas de los amplificadores de clase A

  • Los diseños de clase A pueden ser más simples que otras clases en la medida en que los diseños de clase AB y B requieren dos dispositivos conectados en el circuito ( salida push-pull ), cada uno para manejar la mitad de la forma de onda, mientras que la clase A puede usar una sola. dispositivo ( de un solo extremo ).
  • El elemento amplificador está polarizado, por lo que el dispositivo siempre está conduciendo, la corriente del colector en reposo (señal pequeña) (para BJT ; corriente de drenaje para FET o corriente de ánodo/placa para tubos de vacío) está cerca de la porción más lineal de su curva de transconductancia .
  • Debido a que el dispositivo nunca está "apagado", no hay tiempo de "encendido", no hay problemas con el almacenamiento de carga y, en general, mejor rendimiento de alta frecuencia y estabilidad del bucle de retroalimentación (y generalmente menos armónicos de alto orden).
  • El punto donde el dispositivo se acerca más a estar "apagado" no es en "señal cero", por lo que se evitan los problemas de distorsión cruzada asociados con los diseños de clase AB y B.
  • Lo mejor para niveles bajos de señal de receptores de radio debido a la baja distorsión.

Desventaja de los amplificadores de clase A

  • Los amplificadores de clase A son ineficientes. Se puede obtener una eficiencia teórica máxima del 25% utilizando configuraciones habituales, pero el 50% es el máximo para un transformador o una configuración acoplada inductivamente. [6] [7] En un amplificador de potencia, esto no solo desperdicia energía y limita el funcionamiento con baterías, sino que también aumenta los costos operativos y requiere dispositivos de salida de mayor potencia. La ineficiencia proviene de la corriente estacionaria, que debe ser aproximadamente la mitad de la corriente de salida máxima, y ​​una gran parte del voltaje de la fuente de alimentación está presente en el dispositivo de salida a niveles de señal bajos. Si se necesita una alta potencia de salida de un circuito de clase A, el suministro de energía y el calor que lo acompaña se vuelven significativos. Por cada vatio entregado a la carga , el propio amplificador, en el mejor de los casos, utiliza un vatio extra. Para los amplificadores de alta potencia, esto significa fuentes de alimentación y disipadores de calor muy grandes y costosos.
  • Debido a que los dispositivos de salida están en pleno funcionamiento en todo momento (a diferencia de un amplificador de clase A/B), no tendrán una vida tan larga a menos que el amplificador esté especialmente diseñado para tener esto en cuenta, lo que aumenta el costo de mantenimiento o Diseño del amplificador.

Los diseños de amplificadores de potencia de clase A han sido reemplazados en gran medida por diseños más eficientes, aunque su simplicidad los hace populares entre algunos aficionados. Existe un mercado para costosos amplificadores de clase A de alta fidelidad , considerados un "artículo de culto" entre los audiófilos [8] principalmente por su ausencia de distorsión cruzada y su reducción de la distorsión armónica impar y armónica de alto orden . Los amplificadores de potencia de clase A también se utilizan en algunos amplificadores de guitarra "boutique" debido a su calidad tonal única y para reproducir tonos antiguos.

Amplificadores de un solo extremo y triodo clase A

Algunos aficionados que prefieren amplificadores de clase A también prefieren el uso de diseños de válvulas (tubo) termoiónicas en lugar de transistores, por varias razones:

  • Las etapas de salida de un solo extremo tienen una curva de características de transferencia asimétrica, lo que significa que los armónicos de orden par en la distorsión creada tienden a no cancelarse (como sucede en las etapas de salida push-pull ). Para las válvulas, o FET , la mayor parte de la distorsión son armónicos de segundo orden, de la característica de transferencia de la ley del cuadrado , que para algunos produce un sonido más "cálido" y más agradable. [9] [10]
  • Para aquellos que prefieren cifras de distorsión bajas, el uso de válvulas de clase A (que generan poca distorsión armónica impar, como se mencionó anteriormente) junto con circuitos simétricos (como etapas de salida push-pull o etapas de bajo nivel balanceadas) dan como resultado la cancelación de la mayoría de los armónicos de distorsión uniforme, por lo tanto, la eliminación de la mayor parte de la distorsión.
  • Históricamente, los amplificadores de válvulas se utilizaban a menudo como amplificadores de potencia de clase A simplemente porque las válvulas son grandes y caras; Muchos diseños de clase A utilizan un solo dispositivo.

Los transistores son mucho menos costosos que los tubos, por lo que los diseños más elaborados que utilizan más piezas son aún menos costosos de fabricar que los diseños de tubos. Una aplicación clásica para un par de dispositivos de clase A es el par de cola larga , que es excepcionalmente lineal y forma la base de muchos circuitos más complejos, incluidos muchos amplificadores de audio y casi todos los amplificadores operacionales .

Los amplificadores de clase A se pueden usar en etapas de salida de amplificadores operacionales [11] (aunque la precisión de la polarización en amplificadores operacionales de bajo costo como el "741" puede resultar en un rendimiento de clase A, clase AB o clase B, variando de dispositivo a dispositivo o con la temperatura). A veces se utilizan como amplificadores de potencia de audio de potencia media, baja eficiencia y alto costo. El consumo de energía no está relacionado con la potencia de salida. En reposo (sin entrada), el consumo de energía es esencialmente el mismo que con un volumen de salida alto. El resultado es una baja eficiencia y una alta disipación de calor.

Clase B

Amplificador ideal clase B (push-pull). En la práctica, la distorsión se produce cerca del punto de cruce.

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

En radiofrecuencia , si el acoplamiento a la carga se realiza a través de un circuito sintonizado , se puede utilizar un solo dispositivo que funcione en clase B porque la energía almacenada en el circuito sintonizado suministra la mitad "faltante" de la forma de onda. Los dispositivos que operan en Clase B se utilizan en amplificadores lineales, llamados así porque la potencia de salida de radiofrecuencia es proporcional al cuadrado del voltaje de excitación de entrada. Esto se entiende más fácilmente si se dice que "el voltaje de salida es proporcional al voltaje 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 frecuencia que pasan a través del amplificador. Estos amplificadores tienen una eficiencia de alrededor del 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 ha mejorado mucho con respecto a los amplificadores de clase A. [14] Los amplificadores de clase B también se prefieren en dispositivos que funcionan con baterías, como 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 pares complementarios muy simplificada que se muestra a la derecha. Cada uno de los dispositivos complementarios se utiliza para amplificar las mitades opuestas de la señal de entrada, que luego se recombina en la salida. Esta disposición ofrece una buena eficiencia, pero normalmente tiene el inconveniente de que hay un pequeño desajuste en la región de cruce (en las "uniones" entre las dos mitades de la señal, ya que un dispositivo de salida tiene que hacerse cargo del suministro de energía exactamente como el otro termina. Esto se llama distorsión cruzada . Una mejora es desviar los dispositivos para que no estén completamente apagados cuando no estén en uso. Este enfoque se llama operación clase AB . [ cita necesaria ]

Clase AB

Amplificador ideal clase AB

En un amplificador de clase AB, el ángulo de conducción es intermedio entre las clases A y 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 ampliamente un buen compromiso para los amplificadores, ya que gran parte del tiempo la señal musical es lo suficientemente silenciosa como para que la señal permanezca en la región de "clase A", donde se amplifica con buena fidelidad y, por definición, si pasa de esta región es lo suficientemente grande 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 el funcionamiento de clase AB, cada dispositivo funciona de la misma manera que en la clase B en la mitad de la forma de onda, pero también conduce una pequeña cantidad en la otra mitad. [16] Como resultado, se reduce la región donde ambos dispositivos simultáneamente están casi apagados (la "zona muerta"). 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) marca 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 especificarían para que tuvieran un coeficiente de temperatura coincidente). Otro enfoque (usado a menudo 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 sobre la clase B a favor de la linealidad, por lo que es menos eficiente (por debajo del 78,5% para ondas sinusoidales de amplitud completa en amplificadores de transistores, normalmente; mucho menos es común en los amplificadores de válvulas de vacío de clase AB). Normalmente es mucho más eficiente que la clase A.

Números de sufijo para amplificadores de válvulas

El diseño de un amplificador de válvulas de vacío a veces tendrá un número de sufijo adicional para la clase, por ejemplo, clase B1. Un sufijo 1 indica que la corriente de la red no fluye durante ninguna parte de la forma de onda de entrada, mientras que un sufijo 2 indica que la corriente de la red fluye durante parte de la forma de onda de entrada. Esta distinción afecta el diseño de las etapas del controlador del amplificador. Los números de sufijo no se utilizan para amplificadores de semiconductores. [17]

Clase C

Amplificador clase C

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 el 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 es en transmisores de RF que funcionan 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 cambiar el dispositivo activo, lo que hace que fluyan pulsos de corriente a través de un circuito sintonizado que forma parte de la carga. [18]

El amplificador clase C tiene dos modos de funcionamiento: 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 llama operación sin sintonizar y el análisis de las formas de onda muestra la enorme distorsión 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 fija con el voltaje de salida promedio igual al voltaje de suministro. Esta es la razón por la que a veces la operación sintonizada se denomina abrazadera . Esto restaura la forma de onda a su forma adecuada, a pesar de que el amplificador solo tiene un suministro 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, y la frecuencia central sufre muy poca distorsión, pero mayor atenuación cuanto más se aleja de la frecuencia sintonizada la señal.

El circuito sintonizado resuena en una frecuencia, la frecuencia portadora fija, por lo que las frecuencias no deseadas se suprimen 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 es una limitación importante. Cualquier armónico residual se puede eliminar utilizando un filtro adicional.

En los amplificadores prácticos de clase C, invariablemente se utiliza una carga sintonizada. En una disposición común, la resistencia que se muestra en el circuito anterior se reemplaza por un circuito sintonizado en paralelo que consta de un inductor y un capacitor en paralelo, cuyos componentes se eligen para que resuenen a la frecuencia de la señal de entrada. La energía se puede acoplar a una carga mediante la acción de un transformador con una bobina secundaria enrollada en el inductor. El voltaje promedio en el colector es entonces igual al voltaje de suministro, y el voltaje de la señal que aparece a través del circuito sintonizado varía desde cerca de cero hasta cerca del doble del voltaje de suministro durante el ciclo de RF. El circuito de entrada está polarizado de modo que el elemento activo (por ejemplo, un transistor) conduzca sólo durante una fracción del ciclo de RF, generalmente un tercio (120 grados) o menos. [20]

El elemento activo conduce sólo mientras el voltaje del colector pasa por su mínimo. De esta manera, se minimiza la disipación de energía en el dispositivo activo y se aumenta la eficiencia. Idealmente, el elemento activo pasaría sólo un pulso de corriente instantáneo mientras el voltaje a través de él es cero: entonces no disipa energía y se logra el 100% de eficiencia. Sin embargo, los dispositivos prácticos tienen un límite en la corriente máxima que pueden pasar y, por lo tanto, el pulso debe ampliarse, a alrededor de 120 grados, para obtener una cantidad razonable de potencia, y la eficiencia es entonces del 60 al 70%. [20]

Clase D

Diagrama de bloques de un amplificador de conmutación básico o PWM (clase D).
Amplificador mono Boss Audio clase D con filtro de paso bajo para alimentar subwoofers

Los amplificadores de clase D utilizan alguna forma de modulación de ancho de pulso para controlar los dispositivos de salida. El ángulo de conducción de cada dispositivo ya no está relacionado directamente con la señal de entrada, sino que varía en el 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 un flujo de pulsos que representa la señal mediante modulación de ancho de pulso , modulación de densidad de pulso , modulación delta-sigma o una técnica de modulación relacionada 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 nuevamente en una señal analógica mediante un filtro pasivo de paso bajo . El propósito del filtro de salida es suavizar el flujo de pulsos a 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 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 la eficiencia energética. Se puede lograr una eficiencia superior al 90% con MOSFET y >80% es bastante común. Debido a que los pulsos de salida tienen una amplitud fija, los elementos de conmutación (generalmente MOSFET , pero también se han utilizado tubos de vacío y transistores bipolares ) se encienden o apagan completamente, en lugar de operar en modo lineal. Un MOSFET generalmente opera con la resistencia de estado encendido más baja cuando está completamente encendido y, por lo tanto (excluyendo cuando está completamente apagado) tiene la disipación de energía más baja cuando está 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 MOSFET y al mismo tiempo reducen la cantidad de potencia de entrada requerida, lo que permite un diseño de fuente de alimentación de menor capacidad. Por lo tanto, los amplificadores de clase D suelen ser más pequeños que un amplificador de clase AB equivalente.

Otra ventaja del amplificador de clase D es que puede funcionar desde una fuente de señal digital sin necesidad de un convertidor de digital a analógico (DAC) para convertir primero la señal a formato analógico. Si la fuente de la señal está en forma digital, como en un reproductor multimedia digital o una tarjeta de sonido de computadora , los circuitos digitales pueden convertir la señal digital binaria directamente en una señal de modulación de ancho de pulso que se aplica al amplificador, simplificando considerablemente los circuitos.

Se puede construir un amplificador de clase D con potencia de salida moderada utilizando un proceso lógico CMOS normal, lo que lo hace adecuado para la integración con otros tipos de circuitos digitales. Por lo tanto, se encuentra comúnmente en System-on-Chips con audio integrado cuando el amplificador comparte un troquel con el procesador principal o DSP.

Si bien los amplificadores de clase D se usan ampliamente para controlar motores , también se usan como amplificadores de potencia. Sin embargo, si la señal aún no está en un formato de pulso modulado antes de la amplificación, primero debe convertirse, lo que puede requerir circuitos adicionales. Las fuentes de alimentación conmutadas incluso se han modificado para convertirlas en toscos amplificadores de clase D (aunque normalmente estos sólo reproducen bajas frecuencias con una precisión aceptable).

En el mercado se encuentran fácilmente amplificadores de potencia de audio de clase D de alta calidad. En el año 2009 se observó un rango dinámico de 118 dB en un producto de consumo de alta gama. Sin embargo, la mayoría permanece más cerca del rango dinámico de 100 dB en este momento [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. Uno de los primeros usos de los amplificadores de clase D fueron los amplificadores de subwoofer de alta potencia en los automóviles. Debido a 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 la de un amplificador de rango completo, lo que permite diseños más simples. Los amplificadores de clase D para controlar subwoofers son relativamente económicos en comparación con los amplificadores de clase AB.

La letra D utilizada para designar esta clase de amplificador es simplemente la siguiente letra después de 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 en ancho de pulso continuo. . (Una forma de onda digital estaría modulada por código de pulso ).

Clases adicionales

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 los rieles de suministro (en pasos discretos o de forma continua, respectivamente) después de la señal de entrada. El calor desperdiciado en los dispositivos de salida se puede reducir manteniendo el exceso de voltaje al mínimo. El propio amplificador que se alimenta con estos carriles puede ser de cualquier clase. Este tipo de amplificadores son más complejos y se utilizan principalmente para aplicaciones especializadas, como unidades de muy alta potencia. Además, 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 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.

Clase E

El amplificador de clase E es un amplificador de potencia de conmutación sintonizado altamente eficiente que se utiliza en radiofrecuencias. Utiliza un elemento de conmutación unipolar y una red reactiva sintonizada entre el interruptor y la carga. El circuito obtiene una alta eficiencia operando solo el elemento de conmutación en puntos de corriente cero (conmutación de encendido a apagado) o voltaje cero (conmutación de apagado a encendido), lo que minimiza la pérdida de energía en el interruptor, incluso cuando el tiempo de conmutación de los dispositivos es largo en comparación. a la frecuencia de operación. [22]

Se cita con frecuencia que el amplificador de clase E se informó por primera vez en 1975. [23] Sin embargo, se puede encontrar una descripción completa del funcionamiento de clase E en la tesis doctoral de 1964 de Gerald D. Ewing. [24] Curiosamente, las ecuaciones de diseño analítico se conocieron recientemente. [25]

Clase F

En amplificadores push-pull y en CMOS, los armónicos pares de ambos transistores simplemente se cancelan. Los experimentos muestran que esos amplificadores pueden generar una onda cuadrada . En teoría, las ondas cuadradas constan únicamente de armónicos impares. En un amplificador de clase D, el filtro de salida bloquea todos los armónicos; es decir, los armónicos ven una carga abierta. Por lo tanto, incluso pequeñas corrientes en los armónicos son suficientes para generar una onda cuadrada de voltaje. La corriente está en fase con el voltaje aplicado al filtro, pero el voltaje a través de los transistores está desfasado. Por lo tanto, existe una superposición mínima entre la corriente a través de los transistores y el voltaje a través de los transistores. Cuanto más nítidos sean los bordes, menor será la superposición.

Mientras que en la clase D, los transistores y la carga existen como dos módulos separados, la clase F admite imperfecciones como los parásitos del transistor e intenta optimizar el sistema global para tener una alta impedancia en los armónicos. [26] Por supuesto, debe haber un voltaje finito a través del transistor para empujar la corriente a través de la resistencia en estado encendido. Debido a que la corriente combinada a través de ambos transistores se encuentra principalmente en el primer armónico, parece un seno. Eso significa que en el medio del cuadrado tiene que fluir el máximo de corriente, por lo que puede tener sentido tener una caída en el cuadrado o, en otras palabras, permitir cierta oscilación excesiva de la onda cuadrada de voltaje. Una red de carga de clase F, por definición, tiene que transmitir por debajo de una frecuencia de corte y reflejar por encima.

Cualquier frecuencia que se encuentre por debajo del límite y que tenga su segundo armónico por encima del límite se puede amplificar, es decir, un ancho de banda de una octava. Por otro lado, un circuito en serie inductivo-capacitivo con una gran inductancia y una capacitancia sintonizable puede ser más sencillo de implementar. Al reducir el ciclo de trabajo por debajo de 0,5, se puede modular la amplitud de salida. La forma de onda cuadrada del voltaje se degrada, pero cualquier sobrecalentamiento se compensa con la menor potencia general que fluye. Cualquier desajuste de carga detrás del filtro solo puede actuar sobre la forma de onda de corriente del primer armónico; claramente solo tiene sentido una carga puramente resistiva, entonces cuanto menor es la resistencia, mayor es la corriente.

La clase F puede funcionar mediante una onda sinusoidal o cuadrada; para una onda sinusoidal, la entrada se puede sintonizar mediante un inductor para aumentar la ganancia. Si la clase F se implementa con un solo transistor, el filtro es complicado para cortocircuitar los armónicos pares. Todos los diseños anteriores utilizan bordes afilados para minimizar la superposición.

Clases G y H

Modulación de tensión de carril clase G idealizada
Modulación de tensión de carril clase H idealizada
Modulación de tensión ferroviaria
Esquema básico de una configuración clase H

Existe una variedad de diseños de amplificadores que mejoran las etapas de salida de clase AB con técnicas más eficientes para lograr una mayor eficiencia con baja distorsión. Estos diseños son comunes en grandes amplificadores de audio, ya que los disipadores de calor y los transformadores de potencia serían prohibitivamente grandes (y costosos) sin los aumentos de eficiencia. Los términos "clase G" y "clase H" se utilizan indistintamente para referirse a diferentes diseños, variando en definición de un fabricante o papel a otro.

Los amplificadores de clase G (que utilizan "conmutación de rieles" para disminuir el consumo de energía y aumentar la eficiencia) son más eficientes que los amplificadores de clase AB. Estos amplificadores proporcionan varios rieles de alimentación a diferentes voltajes y cambian entre ellos a medida que la salida de la señal se acerca a cada nivel. Por tanto, el amplificador aumenta la 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 en comparación con los de clase D; sin embargo, no tienen los efectos de interferencia electromagnética de la clase D.

Los amplificadores de clase H crean un riel de suministro (analógico) infinitamente variable. A veces se les conoce como rastreadores de ferrocarriles. Esto se hace modulando los rieles de suministro de modo que los rieles sean solo unos pocos voltios más grandes que la señal de salida que los "sigue" en un momento dado. La etapa de salida opera con su máxima eficiencia todo el tiempo. Esto se debe a la capacidad del circuito para mantener los transistores del riel (T2 y T4) en corte hasta que un pico de voltaje musical sea de una magnitud suficiente para requerir voltaje adicional de los suministros de + y - 80 V. Consulte la figura esquemática. En realidad, el amplificador de clase H puede considerarse como dos amplificadores en serie. En el ejemplo esquemático que se muestra en la figura, los amplificadores de riel de +/- 40 V pueden producir aproximadamente 100 vatios continuos en una carga de 8 ohmios. Si la señal de salida funciona por debajo de 40 voltios, el amplificador solo tiene las pérdidas asociadas con 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 salida de entre 100 y 400 vatios. La clave para entender esta eficiencia sin alterar los números reales es que tenemos un amplificador con capacidad de 400 vatios pero con la eficiencia de un amplificador de 100 vatios. Esto se debe a que las formas de onda de la música contienen largos períodos de menos de 100 vatios y sólo breves ráfagas de hasta 400 vatios; en otras palabras, las pérdidas a 400 vatios son por breves períodos de tiempo. Si este ejemplo se dibujara como una clase AB con solo los suministros de 80 V en lugar de los de 40 V, los transistores T1 y T3 tendrían que estar en conducción a lo largo de la señal de 0 V a 80 V con las pérdidas correspondientes a lo largo de la onda. período, no sólo los breves estallidos de alta energía. Para lograr este control del seguimiento ferroviario, 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 (por encima de 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 De 100 a 400 vatios, los rieles de +/-40 V no generan corriente ya que toda la corriente proviene de los rieles de +/-80 V. Sin embargo, esta cifra es demasiado simplista, ya que en realidad no controlará en absoluto los transistores T2 y T4. Esto se debe a que los diodos D1 y D3 que están destinados a proporcionar un camino para que el voltaje de salida regrese a los dispositivos superiores siempre tienen polarización inversa. Están dibujados hacia atrás. En lugar de estos diodos, en un diseño real se necesitaría un amplificador de voltaje con ganancia que utilice vout como entrada. Hay otra razón para este requisito de ganancia entre vout y la base T2 en un diseño de clase H real y es para asegurar que la señal aplicada al T2 esté siempre "por delante" de la señal de Vout para que nunca pueda "alcanzar" a la rastreador de ferrocarril. El amplificador Rail Tracker podría tener una velocidad de respuesta de 50 V/μs, mientras que el amplificador AB podría tener solo una tasa de respuesta de 30 V/μs para garantizar esto.

Ver también

Referencias

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