TRABAJO DE INVESTIGACIÓN Nº2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA JULIAN ANDRES GONZALEZ SERRANO ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA JULIO GARAVITO FACULTAD DE INGENIERIA BIOMEDICA ELECTRONICA ANALOGA 2 BOGOTA 2021 TRABAJO DE INVESTIGACIÓN Nº1: AMPLIFICADORES DE POTENCIA JULIAN ANDRES GONZALEZ SERRANO Trabajo de investigación Giovanny Aldemar Baquero Rozo ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA JULIO GARAVITO FACULTAD DE INGENIERIA BIOMEDICA ELECTRONICA ANALOGA 2 BOGOTA 2021 Contenido 1_ Amplificador Clase A, (serie y acoplado por transformador): Polarización, rendimiento, eficiencia, distorsión. .................................................................................................................... 4 2_ Amplificador Clase A, (En contrafase): Polarización, rendimiento, eficiencia, distorsión. ...... 8 3_ Amplificador Clase B, (En contrafase): Polarización, rendimiento, eficiencia, distorsión........ 9 4_ Amplificador Clase AB, (En contrafase): Polarización, rendimiento, eficiencia, distorsión. .. 11 5_ Etapas de salida de acoplamiento directo: Case B y AB push-pull, Cascode, Bootstrap. ...... 13 6_ Otros tipos de Amplificadores de Potencia: Clase C, Clase D, Clase F, Clase G, Clase H, Clase S. .................................................................................................................................................. 15 7_ Bibliografía y uso de las referencias bibliográficas en interior del documento. .................... 19 1_ Amplificador Clase A, (serie y acoplado por transformador): Polarización, rendimiento, eficiencia, distorsión. Acoplamiento directo La etapa clase A más conocida es la del seguidor emisor, debido a su baja impedancia de salida. En este amplificador la corriente circula por el transistor durante los 360° del ciclo de la señal de entrada [1]. Polarización En este tipo de amplificador idealmente se busca que este polarizado para obtener una máxima salida de voltaje, es decir cuando no haya señal se cumpla que: πππ = πππ 2 Esto se ilustra mejor en la gráfica de la figura 1. En la figura se muestra el esquema idealizado con el que se obtuvo la gráfica de la figura 1[1]. Figura 1. Curva característica de la polarización de un amplificador clase A. Figura 2. Esquema idealizado. Potencia de alimentación La potencia instantánea entregada por la fuente de alimentación está dada por la siguiente expresión: πππ = πππ ∗ πΌππ (1) De la expresión cabe destacar que la potencia es la misma con o sin señal de entrada. Finalmente, si reescribiéramos la ecuación 1 en términos de la carga (Rc), obtenemos [1]: πππ = πππ 2 2π π Potencia en la carga La potencia en la carga se puede definir como la suma de dos potencias: • • Potencia de señal en la carga. (Pca) Potencia debido a la polarización (Pcc) Cada una de estas potencias se representa mediante las siguientes expresiones: πππ = πππ 2 = 25%πππ 8π π πππ = πππ 2 = 50%πππ 4π π Finalmente, la potencia total sobre la carga (Ptc) en términos de la potencia suministrada por la fuente se define como [1]: ππ‘π = 75%πππ Potencia disipada por el transistor La potencia disipada por el transistor es la potencia suministrada por la fuente menos la potencia adsorbida por la carga. Debido a que la potencia en la carga es la suma de la potencia por la señal y la potencia por la polarización, para analizar la potencia en el transistor se deben considerar dos casos • • Con señal: Pd = 25%Pcc Sin señal: Pd = 50%Pcc Mas adelante veremos que estas condiciones en la potencia disipada por el transistor lo hacen menos eficiente [1]. Rendimiento en presencia de señal El rendimiento cuando el amplificador esta excitado por una señal de entrada se define como [1]: 1 πππ πππ πππ % = = 4 ∗ 100 = 50% 1 ππ πππ 2 Rendimiento en ausencia de señal El rendimiento cuando el amplificador no está excitado por una señal de entrada se define como: 1 πππ πππ πππ % = =4 ∗ 100 = 25% ππππ₯ πππ Aunque los valores de eficiencia energética sean tan bajos, este amplificador tiene los niveles mínimos de distorsión debido a que este tipo de amplificador trabaja en los 360° grados de la señal de entrada [1]. Acoplamiento por transformador En la figura 3 se muestra un amplificador clase A acoplado por transformador Figura 3. Amplificador clase A acoplado por transformador Iniciando con un análisis ideal al no estar conectada una resistencia entre Vcc y el colector del transistor Vce ≅ Vcc, así que, si despreciamos la dispersión, es decir el transistor tiene un hFE fijo, el punto Q de polarización es [1]: • • Vceq = Vcc Icq = cte. Lo anterior se ilustra mejor en la figura 4. Figura 4. Grafica de polarización de un amplificador clase A, acoplado con transformador. Potencia suministrada por la fuente de alimentación La potencia en un amplificador clase A acoplada por transformador se define como [1]: πππ = πΌππ ∗ πππ Potencia absorbida por la carga La potencia en a carga se define como el producto del voltaje efectivo por la corriente efectiva, así [1]: πππ = πππ πΌππ 1 1 ∗ = πππ ∗ πΌππ = πππ 2 2 √2 √2 Potencia en el transistor Debido a que Rc = 0, la potencia en el transistor está dada por [1]: ππ = πππ ∗ πΌπ = πππ ∗ πΌππ = πππ Rendimiento en el circuito 1 πππ 1 ππ = 2 = = 50% πππ 2 Rendimiento en el transistor 1 1 πππ πππ 1 2 ππ = =2 = = 50% πππππ₯ πππ 2 Comparación entre el acople directo y por transformador Haciendo un símil con el amplificador clase A con acople directo, y acople con transformador es evidente que el segundo es mucho más eficiente, sin embargo, hay que tener en cuenta que el 50% de eficiencia es en un caso ideal [1]. 2_ Amplificador Clase A, (En contrafase): Polarización, rendimiento, eficiencia, distorsión. Polarización Como el transformador es ideal las resistencias en los devanados del transformador son nulas, así que la recta de carga estática será una recta vertical, y la recta de carga dinámica se conforma al unir los extremos de las rectas de carga dinámicas de los dos transistores [2](figura a). Figura a. Recta de carga de un amplificador clase a en contrafase Figura b. Amplificador clase a en contrafase. Eficiencia De las figuras a y b podemos deducir las siguientes relaciones: Tabla 1. Eficiencia del amplificador clase A en contra fase [2]. De la tabla 1 cabe destacar que la eficiencia del amplificador clase A en contrafase es del 50% Distorsión Si se utilizan señales cosenoidales en la base de los transistores, desfasadas 180°, en el colector aparecen corrientes descritas como: πΌπ1 = πΌππ + π΅0 + π΅1 cos(π€π‘) + π΅2 cos(2π€π‘) + π΅3 cos(3π€π‘) + β― πΌπ2 = πΌππ + π΅0 − π΅1 cos(π€π‘) + π΅2 cos(2π€π‘) − π΅3 cos(3π€π‘) + β― Finalmente, la corriente que circula por la carga es: ππΏ = 2 π1 (π΅1 cos(π€π‘) + π΅3 cos(3π€π‘) + π΅5 cos(5π€π‘) + β― ) π2 Con base a la corriente que circula por la carga se puede concluir que se eliminan los armónicos impares, lo cual reduce la distorsión [2]. 3_ Amplificador Clase B, (En contrafase): Polarización, rendimiento, eficiencia, distorsión. Un amplificador tipo B esta conformado por dos transistores complementarios (npn y pnp) que no pueden conducir simultáneamente [3]. Polarización En la figura 5 se ilustra un amplificador clase B, con el cual se va a hacer un análisis de su funcionamiento. En un primer momento cuando el voltaje de entrada (Vi) es cero los dos transistores están en corte y el voltaje de salida (Vo) es igual a cero. Cuando Vi se hace positivo y rebasa un valor de 0.5V, el transistor Q1 se comporta como un seguidor de emisor, es decir Vo = Vi – Vbe1, y le aporta corriente a la carga. Mientras tanto Q2 se encontrará polarizado en inversa debido al Vbe1, o sea se encuentra de corte [3]. Ahora, si Vi se hace negativa con una mayor magnitud a 0.5 Q2 conduce, y se comporta como un seguidor de emisor, entonces el voltaje de salida queda como: Vo = Vi -Vbe2, con lo cual Q2 le proporciona corriente a la carga y Q1 queda en corte [3]. Figura 5. Polarización básica de un amplificador clase B. Finalmente cabe mencionar que este amplificador queda polarizado con la configuración de simetría de doble efecto. Lo anterior se muestra mejor en la figura 6. Figura 6. Curva característica de un amplificador tipo B. Eficiencia Para calcular la eficiencia de este tipo de amplificador, primero se halla la potencia en la carga. Para esto se desprecia la distorsión por de cruce, y se asume una salida senoidal con amplitud Vo’, así la potencia en la carga se define como: ππΏ = 1 ππ′2 2 π πΏ Luego se calcula la potencia suministrada por la fuente, para esto se asume que la corriente tomada de cada fuente es una onda senoidal de amplitud Vo’/RL. En base a esta relación el valor promedio de la corriente se define como 1 ππ′ . π π πΏ Se determina que la potencia tomada de cada fuente es la misma, así la potencia total queda expresada como: ππ = 2 ππ′ πππ π π πΏ Finalmente, la eficiencia se define como: π= ππΏ πππ′ = ππ 4πππ Para hallar la eficiencia máxima se asume Vo’ está en su máximo valor y que Vcc ≅ Vcc -Vcesat. Con estas condiciones la eficiencia máxima queda como [3]: π= π = 78.5% 4 Distorsión En la figura 6 observamos que antes de que entre Vi <+0.5 y Vi>-0.5, hay una banda muerta, es decir un intervalo en que la señal Vo es igual a cero [3]. Lo anterior crea una distorsión por cruce, que se ve mas claramente en la figura 7. Figura 7. Grafica que muestra el efecto de la banda muerta. 4_ Amplificador Clase AB, (En contrafase): Polarización, rendimiento, eficiencia, distorsión. Polarización con un voltaje VBB/2 Como se ve en la figura 8, para Vi y Vo iguales a 0 aparece una fuente de polarización VBB/2 en paralelo con la unión base/emisor de cada transistor Qn y Qp. Este voltaje VBB se selecciona de acuerdo con la ecuación (1), de tal forma de que se produzca una corriente Iq lo suficientemente grande en reposo, así que para Vi pequeños ambos transistores conduzcan con lo cual se logra que la banda muerta que se muestra en la figura 6 desaparezca casi por completo [3]. πΌπ = πΌπ π πππ/2ππ (1) Figura 8. Amplificador tipo AB, polarizado con fuente VBB/2 La curva característica al usar esta polarización se muestra en la figura 9. Figura 9. Curva característica de la polarización por voltaje VBB. Polarización por diodos Al polarizar con diodos la corriente IQ de polarización es generada por dos diodos como se muestra en la figura 10. Para que esta polarización funcione se debe cumplir que la corriente de saturación de los transistores sean n veces la corriente de polarización de los diodos [3]. Figura 10. Amplificador clase AB polarizado con diodos. Eficiencia Al igual que en el amplificador clase B la para calcular la eficiencia primero hay que hallar la potencia en la carga y la potencia suministrada por la fuente. Partiendo del criterio de diseño de que IQ es mucho menor que IL, entonces la potencia y por ende la eficiencia se describe de la misma forma que en la clase B [3], así: π= ππΏ πππ′ = ππ 4πππ π= π = 78.5% 4 Distorsión Al usar los tipos de polarización explicados anteriormente, para Vi con valores cercanos a 0 los dos transistores conducen y a medida que el valor de Vi, lo que elimina la banda muerta que se muestra en la figura 6, y por consiguiente se elimina casi por completo la distorsión por cruce. 5_ Etapas de salida de acoplamiento directo: Case B y AB pushpull, Cascode, Bootstrap. CASCODE Se diseña generalmente con dos transistores, uno se configura como emisor común, y el otro como base común, como se muestra en la figura 11. Figura 11. Salida con acoplamiento Cascode. Estabilidad Tiene una muy buena estabilidad debido a que los dos transistores tiene una tensión casi constante en su drenaje, por consiguiente, la única corriente significativa se presenta en la entrada o en la salida, y estás están eléctricamente separadas por el punto de conexión entre los dos transistores. BOOTSTRAP Es utilizada para generar voltaje de salida superiores al de la fuente de polarización, para esto se utilizan condensadores de Bootstrap, para tener en los gate de los transistores un voltaje mayor al de la fuente de alimentación. En la figura 12 se observa que cuando el voltaje en Vs es igual a 0 se carga el condensador a través de la fuente de 12V, y a medida que el valor de Vs se incrementa, el diodo deja de conducir y cuando el valor de Vs se iguala al de la fuente de alimentación el condensador esta cargado a un valor mayo que el de la fuente de alimentación [4]. Figura 12. Ejemplo de una salida con acople Bootstrap. PUSH-PULL Es una configuración simétrica en la cual usualmente se usa un transformador de acople a la entrada. En esta configuración un transistor se encuentra en zona activa y el otro en corte en el primer semiciclo de la señal, conmutándose en el siguiente semiciclo las condiciones anteriores. Finalmente, el transformador de punto medio recompone estas dos señales a la salida del amplificador. En la figura 13 se muestra el circuito general con acoplamiento pushpull para un amplificador clase B [5]. Figura 13. Acoplamiento push-pull para un amplificador tipo B. 6_ Otros tipos de Amplificadores de Potencia: Clase C, Clase D, Clase F, Clase G, Clase H, Clase S. CLASE C Este tipo de amplificador se polariza para que trabaje solo en menos de 180° del ciclo de la señal de entrada. Sin embargo, el circuito entregara a la salida un ciclo completo en la frecuencia fundamental del circuito LC, como se muestra en la figura 14. Figura 14. Amplificador clase C. En consecuencia, el amplificador clase C esta limitado a trabajar en una frecuencia fija [6]. Clase D Los amplificadores están diseñados para trabajar con señales PWM, con lo cual alcanza una eficiencia practica del 90%, que esta muy por encima de los amplificadores clase A o B. Este porcentaje de eficiencia es debido a que la salida conmuta entre dos estados, “on” y “off”. Cuando el circuito se encuentra en estado on fluirá corriente a través del circuito y teóricamente toda fluirá a través de la carga, así que el voltaje en el drenaje (partiendo de que el amplificador está construido con MOSFET) será 0, en consecuencia, no abra disipación de potencia. En la figura 15 se muestra una gráfica de eficiencia vs potencia de salida, en la cual se compara el amplificador tipo D y AB [7]. Figura 15. Grafica comparativa entre la eficiencia de los amplificadores D y AB. Clase F Es de los amplificadores mas eficientes, ya que utiliza un circuito resonador para que la potencia dc sea lo mas pequeña posible. En la figura 16 se muestra un esquema general de un amplificador clase F [8]. Figura 16. Amplificador clase F. De la figura 16 se puede deducir que el voltaje de drenaje se define como: ππ(π) = πππ + ππππ ππ(π) + πππ3 π ππ(3π) Si tomamos πππ3 = πππ 9 se produce la mayor región de llanura para el voltaje de drenaje y la máxima salida se produce cuando Vd(π) = 0, entonces: πππ = 9 πππ 8 Por otro lado, la potencia dc está dada por: πππ = πππ ∗ πΌππ π Y la potencia de salida máxima por: πππππ₯ = πΌππ πππ 4 Finalmente, la eficiencia máxima es: πΌππ 9 ∗ ∗ πππ πππππ₯ 8 π= ∗ 100% = 4 ∗ 100% = 88.93% πΌππ πππ πππ ∗ π CLASE G En amplificador clase G es una versión de la clase AB, en el cual se usa la conmutación para disminuir el consumo de potencia y aumentar la eficiencia. Esto se hace a través de dos o mas juegos de transistores conectados a diferentes entradas de voltaje [8]. Para que el amplificador clase G funciones se necesita un cambio en la fuente de entrada de un nivel mas bajo a uno mas alto cuando hay un cambio del semiciclo alto al semiciclo bajo en la salida. Lo anterior se puede lograr de diferentes formas [8]: • • Utilizando una etapa AB polarizada con diodos Utilizando dos etapas AB en la etapa de salida, usando dos fuentes de voltaje diferentes, en la cual la magnitud de la señal de entrada establece la trayectoria de la señal de salida. CLASE H Este tipo de amplificador tiene la misma operación que la clase G, pero no se usa la salida con etapas AB, en vez de eso, utiliza transistores conectados a una fuente de bajo voltaje y con otros elementos conmuta a un valor de voltaje mas alto, cuando es requerido. Esto le permite al suministro de potencia suministrar un nivel de voltaje optimo a los dispositivos de salida. Esto genera un excelente rendimiento y la eficacia es similar a la de los amplificadores clase G [8]. CLASE S El amplificador clase S utiliza dos transistores y dos diodos para conseguir en la salida una conmutación entre dos posiciones [8], tal como se muestra en la figura 17. Figura 17. Formas de onda de salida de un amplificador clase S La onda de salida se acopla a la carga mediante un filtro pasa bajas. Originando un voltaje de salida Vo (π) y una corriente Io (π). Figura 18. Amplificador clase S. Para el amplificador que se muestra en la figura 18, y teniendo como entrada una señal senoidal, la potencia en presencia de señal se define como: π= πππ 2 8π Debido a que esta configuración no experimenta voltajes ni corrientes nulos al mismo tiempo, en teoría la eficiencia es del 100%. 7_ Bibliografía y uso de las referencias bibliográficas en interior del documento. [1]N. Ibáñez, Catedra.ing.unlp.edu.ar, 2021. [Online]. 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