Amplificador

Un amplificador electrónico es un dispositivo para aumentar la potencia y / o amplitud de una señal. Esto se logra mediante la toma del poder de un fuente de alimentación y el control de la salida para que coincida con la forma de la señal de entrada, pero con una amplitud más grande. En este sentido, un amplificador puede ser considerada como la modulación de la salida de la fuente de alimentación.

La de tubo de vacío amplificador Hi-Fi.

Voltaje, corriente y amplificación de potencia

Amplificadores pueden ser especificados de acuerdo a sus propiedades de entrada y salida. Tienen algún tipo de ganancia, es decir, un factor entre la señal de salida y de entrada. La ganancia se puede especificar como "tensión de salida de tensión / entrada", "tensión de salida de potencia / entrada" o cualquier otra combinación de corriente, tensión y potencia.

En la mayoría de los casos un amplificador debe ser lineal, es decir la ganancia debe ser constante para cualquier combinación de señales de entrada y de salida. Si la ganancia no es lineal, por ejemplo, por la saturación de la señal de salida en los límites de sus capacidades, la señal de salida está distorsionada.

Clasificación de las etapas y sistemas de amplificación

Hay muchas clasificaciones alternativas que abordan diferentes aspectos de los modelos de amplificadores, y todos ellos expresan una cierta perspectiva particular sobre los parámetros de diseño a los objetivos del circuito. Diseño de amplificador es siempre un compromiso de numerosos factores, tales como el costo, el consumo de energía, las imperfecciones de dispositivos del mundo real, y una multitud de especificaciones de rendimiento. A continuación se presentan varios enfoques diferentes para la clasificación:

Las variables de entrada y de salida

Los cuatro tipos de fuente dependiente; variable de control a la izquierda, variable de salida a la derecha

Amplificadores electrónicos utilizan dos variables: corriente y voltaje. Cualquiera puede ser utilizado como entrada, y, o bien como salida que conduce a cuatro tipos de amplificador. En forma idealizada que están representados por cada uno de los cuatro tipos de fuente dependiente utilizados en el análisis lineal, como se muestra en la figura, a saber:

Cada tipo de amplificador en su forma ideal tiene una entrada ideal y la resistencia de salida que es la misma que la de la fuente dependiente correspondiente:

En la práctica las impedancias ideales sólo son aproximadas. Para cualquier circuito particular, un análisis de pequeña señal a menudo se utiliza para encontrar la impedancia realmente alcanzada. Una corriente de prueba de pequeña señal AC I _x se aplica al nodo de entrada o de salida, todas las fuentes externas se ponen a cero, y el correspondiente V _x tensión alterna a través de la fuente de corriente de prueba determina la impedancia visto en ese nodo como R = V _x / _I x.

Amplificadores diseñados para acoplarse a un línea de transmisión en la entrada y / o salida, especialmente Amplificadores de RF, no encajan en este enfoque de clasificación. En lugar de tratar con tensión o corriente individual, que idealmente pareja con una entrada y / o impedancia de salida adaptada a la impedancia de la línea de transmisión, es decir, las relaciones de los partidos de voltaje a corriente. Muchos amplificadores de RF reales se acercan a este ideal. Aunque, para una fuente apropiada dado y la impedancia de carga, amplificadores de RF pueden ser caracterizados como voltaje o corriente amplificar, que fundamentalmente están amplificando el poder.

Terminal común

Un conjunto de clasificaciones para los amplificadores se basa en qué terminal dispositivo es común tanto a la entrada y el circuito de salida. En el caso de transistores de unión bipolar, las tres clases son emisor común, base común, y colector común. Para transistores de efecto de campo, las configuraciones correspondientes son fuente común, puerta común, y drenaje común; para dispositivos de vacío triodo, de cátodo común, la red común, y la placa común.

Unilateral o bilateral

Cuando un amplificador tiene una salida que no muestra información a su lado de la entrada, se llama unilateral. Una consecuencia es el amplificador tiene una impedancia de entrada que es independiente de la carga conectada al amplificador, y una impedancia de salida que es independiente de la fuente de señal de conducción del amplificador.

El caso opuesto es el amplificador bilateral, donde la retroalimentación conecta la salida al lado de entrada del amplificador. Dicha información frecuente es deliberada, por ejemplo retroalimentación negativa a menudo se utiliza para adaptar el comportamiento del amplificador. Sin embargo, al menos con la frecuencia, la retroalimentación es a la vez deseable e inevitable; introducido, por ejemplo, por elementos parásitos como capacitancias inherentes, indeseables en transistores que par de entrada a la salida. En cualquier caso, un amplificador bilateral tiene una impedancia de entrada que depende de la carga conectada al amplificador, y una impedancia de salida que depende de la fuente de accionamiento del amplificador.

Amplificadores unilateral y bilateral lineales se pueden representar por redes de dos puertos. La mayoría de los amplificadores son bilaterales en cierto grado, sin embargo, a menudo se pueden modelar como unilateral bajo ciertas condiciones de funcionamiento para simplificar el análisis (ver el artículo de la base común para un ejemplo).

Inversor o no inversor

Otra forma de clasificar los amplificadores es la relación de fase de la señal de entrada a la señal de salida. Un amplificador inversor produce una salida 180 grados fuera de fase con la señal de entrada (es decir, una inversión de la imagen o el espejo de la entrada como se ve en una osciloscopio). Un amplificador no inversor mantiene la fase de las formas de onda de señal de entrada. Una seguidor de emisor es un tipo de amplificador no inversor, lo que indica que la señal en el emisor de un transistor está siguiendo (es decir, a juego con ganancia unitaria pero quizás un offset) la señal de entrada.

Esta descripción puede aplicarse a una sola etapa de un amplificador, o a un sistema amplificador completa.

Función

Otros amplificadores pueden ser clasificados por sus características de la función o de salida. Estas descripciones funcionales generalmente se aplican a completar los sistemas de amplificación o subsistemas y rara vez a las etapas individuales.

• Un amplificador servo indica un sistema integrado bucle de retroalimentación para controlar activamente la salida en algún nivel deseado. Un DC servo indica el uso en las frecuencias a niveles de corriente continua, donde no ocurren las rápidas fluctuaciones de una señal de audio o RF. Estos se utilizan a menudo en actuadores mecánicos o dispositivos tales como Motores de corriente continua que deben mantener una velocidad constante o torque. Un servo amplificador de CA puede hacer esto por algunos motores de corriente alterna.

• Un amplificador lineal responde a diferentes componentes de frecuencia de forma independiente, y no genera distorsión armónica o distorsión de intermodulación. Un amplificador no lineal hace generar distorsión.

• Un amplificador de banda ancha tiene un factor de amplificación preciso sobre una amplia gama de frecuencias, y se utiliza a menudo para aumentar señales para relé en sistemas de comunicaciones. Un amplificador de banda estrecha se hace para amplificar sólo un estrecho rango específico de frecuencias, a la exclusión de otras frecuencias.

• Un amplificador de RF se refiere a un amplificador diseñado para su uso en la frecuencia de radio de la gama espectro electromagnético, y se utiliza a menudo para aumentar la sensibilidad de una receptor o la potencia de salida de un transmisor.

• Un amplificador de audio está diseñado para su uso en la reproducción de frecuencias de audio. Esta categoría se subdivide en la amplificación de señal pequeña, y los amplificadores de potencia que están optimizados para la conducción altavoces, a veces con múltiples amplificadores agrupados juntos como canales separados o puenteables para dar cabida a diferentes requisitos de reproducción de audio.

• Un tipo especial de amplificador se utiliza ampliamente en los instrumentos y para el procesamiento de la señal, entre muchos otros usos variados. Estos son conocidos como amplificadores operacionales, (o amplificadores operacionales). Esto es porque este tipo de amplificador se utiliza en los circuitos que realizan funciones algorítmicas matemáticos, o "operaciones" en señales de entrada para obtener los tipos específicos de señales de salida. Un op-amp típico tiene entradas diferenciales (una "inversora", uno, "no inversora" relativo a la salida) y una salida. Un amplificador operacional idealizado tiene las siguientes características:
  • Impedancia de entrada infinita (a fin de no cargar los circuitos de muestreo es como una entrada de control)
  • Impedancia de salida cero
  • Ganancia infinita
  • Retardo cero propagación

El rendimiento de un op-amp con estas características sería totalmente definida por los componentes pasivos (por lo general) que forman un bucle de realimentación negativa alrededor de ella, es decir, el amplificador en sí no tiene efecto en la salida.

Hoy, los amplificadores operacionales son generalmente realizadas como circuitos integrados, más que construyen a partir de componentes discretos. Todos los del mundo real amplificadores operacionales están destituidos de la especificación idealizada arriba - pero algunos componentes modernos tienen un rendimiento notable y se acercan en algunos aspectos.

Método de acoplamiento entre etapas

Amplificadores se clasifican a veces por el método de acoplamiento de la señal en la entrada, salida, o entre etapas. Diferentes tipos de estos incluyen:

• RC amplificador acoplado, mediante una red de resistencias y condensadores. Por diseño estos amplificadores no pueden amplificar señales de CC como los condensadores bloquean el componente DC de la señal de entrada. Se han usado amplificadores acoplados-RC muy a menudo en circuitos con tubos de vacío o transistores discretos. En los días del circuito integrado unos transistores más en un chip son mucho más barato y más pequeño que un condensador.
• LC amplificador acoplado, mediante una red de inductores y condensadores. Este tipo de amplificador se utiliza con mayor frecuencia en los circuitos de radiofrecuencia selectivos.
• Acoplada por transformador amplificador, utilizando un transformador de impedancias para que coincida o para desacoplar las partes de los circuitos. Muy a menudo LC-acoplados y los amplificadores acoplado por transformador no se pueden distinguir como un transformador es algún tipo de inductor.
• Amplificador acoplado directa, sin utilizar impedancia y sesgo componentes a juego. Esta clase de amplificador era muy poco común en los días de tubos de vacío cuando el (salida) Tensión ánodo estaba en varios 100 V plus y la red (entrada) de tensión en un menos unos voltajes. Así que sólo se utilizan si se especificó la ganancia a DC, por ejemplo, en un osciloscopio. Estos desarrolladores día se ven en apuros para usar amplificadores direcly acopladas siempre que sea posible.

Ver también: Amplificadores multietapa.

Rango de frecuencia

En función de la gama de frecuencias y otras propiedades amplificadores están diseñados de acuerdo con principios diferentes.

• Rangos de frecuencia hasta DC sólo se utilizan cuando se necesita esta propiedad. Amplificación DC conduce a complicaciones específicas que se evitan en lo posible.
• En función de la gama de frecuencias especificada diferentes principios de diseño debe ser utilizado. Hasta la gama MHz sólo propiedades "discretos" es necesario considerar, por ejemplo, un terminal tiene una impedancia de entrada.
• Tan pronto como cualquier conexión dentro del circuito se hace más largo de lo que quizás 1% de la longitud de onda de la frecuencia más alta especificada (por ejemplo 3 m a 100 MHz) cambiar radicalmente las propiedades de diseño. Por ejemplo, una longitud especificada y la anchura de una Traza PCB puede ser utilizado como una entidad selectiva o de adaptación de impedancia.
• Por encima de unos 100 MHz se hace difícil utilizar elementos discretos, especialmente los inductores. En la mayoría de los casos rastros de PCB de formas muy estrechamente definded se utilizan en su lugar.

Tipo de carga

• Untuned - (a) de audio (b) de vídeo
• Tuned (amperios RF) - se utiliza para amplificar una sola frecuencia de radio o banda de frecuencias

Implementación

Amplificadores se implementan utilizando elementos activos de diferentes tipos:

• Los primeros elementos activos fueron relés. Eran, por ejemplo, utilizado en líneas de telégrafo trans-continentales: una corriente débil se utiliza para conmutar el voltaje de una batería a la línea de salida.
• Hasta la década de 1960 la mayoría de los amplificadores utilizados tubos de vacío ("válvulas" en el Reino Unido). Tubos de hoy sólo se utilizan generalmente para la muy alta potencia, amplificadores de alta frecuencia y para aplicaciones especializadas de audio, en el que el campo que han logrado recientemente una nueva popularidad. Muchos transmisores de radiodifusión todavía utilizan tubos de vacío. Además, su impermeabilidad a los daños de flash electromagnética puede haber conducido a su retención en determinados contextos de defensa.
• En la década de 1960 el transistor se hizo cargo, lo que permite por ejemplo la radio de transistores. Estos días transistores "discretos" todavía se utilizan en amplificadores de alta potencia y en los dispositivos de audio especializados.
• A partir de la década de 1970 más y más transistores estaban conectados en un solo chip, por lo tanto la creación de la circuito integrado . Casi todos los amplificadores disponibles en el mercado hoy en día se basan en circuitos integrados.

Para los propósitos exóticas se han utilizado otros elementos activos. Por ejemplo, en los primeros días del satélite de comunicaciones Se han usado amplificadores paramétricos ". El circuito de la base era un diodo cuya capacidad fue cambiado por una señal de RF creada localmente. Bajo ciertas condiciones, este RF señal proporcionada energía que fue modulada por la señal de satélite extremadamente débil recibida en la estación de tierra. El principio de funcionamiento de un amplificador paramétrico es algo similar al principio por el que los niños mantengan sus columpios en movimiento: Mientras el columpio se mueve sólo es necesario para cambiar un "parámetro" de la entidad intercambio de parejas, por ejemplo, hay que mover el centro de gravedad hacia arriba y abajo. En nuestro caso la capacidad del diodo se cambia periódicamente.

Clases de amplificador de potencia

Ángulo de ángulo de flujo o de conducción

Circuitos amplificadores de potencia (etapas de salida) se clasifican como A, B, AB y C para diseños analógicos, y la clase D y E para los diseños basados en el ángulo de conducción o "ángulo de flujo 'Θ de la señal de entrada a través del dispositivo amplificador de conmutación, es decir, la porción del ciclo de señal de entrada durante el cual el dispositivo de amplificación lleva a cabo. La imagen de el ángulo de conducción se deriva de amplificar una señal sinodial. (Si el dispositivo está siempre encendido, Θ = 360 °). El ángulo de flujo está muy relacionado con el amplificador eficiencia energética. Las diversas clases se introducen a continuación, seguidas de un debate más detallado en las partidas individuales más adelante.

Clase A

100% de la señal de entrada se utiliza (ángulo de conducción Θ = 360 ° o 2π, es decir, el elemento activo funciona en su rango lineal todo el tiempo). Donde la eficiencia no es una consideración, la mayoría de los amplificadores lineales de señal pequeña están diseñados como Clase A , lo que significa que los dispositivos de salida están siempre en la región de conducción. Amplificadores de clase A son típicamente más lineal y menos complejo que los otros tipos, pero son muy ineficientes. Este tipo de amplificador se utiliza con mayor frecuencia en las etapas de pequeña señal o para aplicaciones de baja potencia (como los auriculares de conducción).

Clase B

Se utiliza 50% de la señal de entrada (Θ = 180 ° o π, es decir, el elemento activo funciona en su medio lineal gama de el tiempo y es más o menos apagado para el otro medio). En la mayoría de clase B , hay dos dispositivos de salida (o conjuntos de dispositivos de salida), cada uno de los cuales se dedique a alternativamente (push-pull) por exactamente 180 grados (o medio ciclo) de la señal de entrada; amplificadores de RF selectivos también pueden implementarse utilizando un único elemento activo.

Estos amplificadores están sujetos a cruce distorsión si el traspaso de un elemento activo para el otro no es perfecto, como cuando dos transistores complementarios (es decir, un PNP, NPN uno) están conectados como dos seguidores de emisores con sus terminales de base y emisor en común, lo que requiere la tensión de base para reorientar toda la región donde ambos dispositivos están apagados.

Clase AB

Aquí los dos elementos activos realizan más de la mitad del tiempo como un medio para reducir las distorsiones de cruce de amplificadores de clase B. En el ejemplo de los seguidores de emisores complementarios una red de polarización permite más o menos corriente de reposo proporcionando así un punto de trabajo en algún lugar entre la Clase A y Clase B. A veces se añade una figura, por ejemplo, AB1 o AB2, con cifras más elevadas que implica una mayor corriente de reposo y por lo tanto más de las propiedades de la clase A.

Clase D

Estos utilizan el cambio para lograr una eficiencia energética muy alta (más del 90% en los diseños modernos). Al permitir que cada dispositivo de salida para estar completamente dentro o fuera de, las pérdidas se reducen al mínimo. La salida analógica es creado por Modulación por ancho de pulsos, es decir, el elemento activo se conecta durante intervalos más cortos o más largos en lugar de modificar su resistencia. Hay esquemas de conmutación más complicadas como sigma-delta de modulación, para mejorar algunos aspectos del rendimiento como distorsiones menores o de mejor eficiencia.

Otras clases

Hay varias otras clases de amplificador, aunque son principalmente variaciones de las clases anteriores. Por ejemplo, los amplificadores de Clase H y Clase G están marcados por la variación de los carriles de alimentación (en pasos discretos o de una manera continua, respectivamente) después de la señal de entrada. El calor residual en los dispositivos de salida se puede reducir como el exceso de tensión se mantiene a un mínimo. El amplificador que se alimenta con estos carriles sí mismo puede ser de cualquier clase. Este tipo de amplificadores son más complejas, y se utilizan principalmente para aplicaciones especializadas, tales como unidades de muy alta energía. Además, los amplificadores de Clase E y Clase F se describen comúnmente en la literatura de radiofrecuencias aplicaciones en las que la eficiencia de las clases tradicionales desviarse sustancialmente de sus valores ideales. Estas clases utilizan sintonía armónica de sus redes de producción para lograr una mayor eficiencia y se pueden considerar un subconjunto de la Clase C, debido a sus características de ángulo de conducción.

Más detalles sobre las distintas clases se proporciona a continuación.

Clase A

Dispositivos de amplificación de Clase A operan sobre la totalidad del ciclo de entrada de tal manera que la señal de salida es una réplica exacta mayor escala de la entrada sin recorte. Los amplificadores de clase A son los medios habituales de aplicación de amplificadores de señal pequeña. Ellos no son muy eficientes; un máximo teórico de 50% se puede obtener con acoplamiento de salida inductiva y sólo 25% con acoplamiento capacitivo.

En una clase de un circuito, el elemento de amplificación está sesgado por lo que el dispositivo siempre está llevando a cabo, en cierta medida, y se opera sobre la porción más lineal de su curva característica (conoce como su transferir característica o curva de transconductancia). Debido a que el dispositivo siempre está llevando a cabo, incluso si no hay entrada en absoluto, la energía se extrae de la fuente de alimentación. Esta es la principal razón de su ineficacia.

Un amplificador Clase

Si se necesitan altas potencias de salida de un circuito de Clase A, el desperdicio de energía (y el calor acompaña) serán apreciables. Para cada vatios entregado a la carga, el propio amplificador será, en el mejor de disipar otra vatios. Para las grandes potencias. esto significa muy grandes y costosas fuentes de alimentación y disipación de calor. Diseños de Clase A en gran parte han sido sustituidos por audio amplificadores de potencia, aunque algunos audiófilos creen que la Clase A ofrece la mejor calidad de sonido, debido a que se opera de una manera lo más lineal posible que proporciona un pequeño mercado de costosos de alta fidelidad amplificadores de clase A. Además, algunos aficionados prefieren válvula termoiónica (o "tubo") diseños en lugar de transistores, por varias razones alegadas:

Los tubos son más comúnmente utilizados en los diseños de la clase A, que tienen una asimétrica función de transferencia. Esto significa que la distorsión de una onda sinusoidal crea tanto pares e impares- armónicos. La pretensión es que esto suena más "musical" que el mayor nivel de armónicos impares producidos por un amplificador push-pull simétricos. Aunque un buen diseño de amplificador puede reducir los patrones de distorsión armónica a casi nada, la distorsión es esencial para el sonido de amplificadores de guitarra eléctrica, por ejemplo, y se lleva a cabo mediante el registro de ingenieros para ofrecer micrófonos más favorecedores y para mejorar la tecnología digital "suena clínica".

Válvulas utilizan muchos más electrones a la vez que un transistor, y los efectos estadísticos de modo conducen a una aproximación "suave" de la forma de onda verdadero - ver ruido de disparo para más información sobre esto. Transistores de efecto de campo de unión (JFET) tienen características similares a las válvulas, por lo que estos se encuentran con más frecuencia en los amplificadores de alta calidad que los transistores bipolares. Históricamente, los amplificadores de válvulas de uso frecuente de clase A amplificador de potencia, simplemente porque las válvulas son grandes y caros; muchos diseños de Clase A utilizan un solo dispositivo.

Los transistores son mucho más baratos, y así más elaborado diseños que le dan una mayor eficiencia, pero utilizan más partes siguen siendo rentable. Una aplicación clásica para un par de dispositivos de clase A es el par de cola larga, que es excepcionalmente lineal, y constituye la base de muchos circuitos más complejos, incluyendo muchos de los amplificadores de audio y casi todos amplificadores operacionales. Los amplificadores de clase A se utilizan a menudo en etapas de salida de amplificadores operacionales; se utilizan a veces como de potencia media, de baja eficiencia, y los amplificadores de audio de alto costo. El consumo de energía no está relacionada con la potencia de salida. A ralentí (sin entrada), el consumo de energía es esencialmente el mismo que en el volumen de salida alta. El resultado es una baja eficiencia y de alta disipación de calor.

Clase B y AB

Los amplificadores de clase B sólo amplifican mitad del ciclo de onda de entrada. Como tal que crean una gran cantidad de distorsión, pero su eficiencia se mejora en gran medida y es mucho mejor que la Clase A. Clase B tiene una eficiencia máxima teórica de 78,5% (es decir, π / 4). Esto es porque el elemento de amplificación está conmutada apagado en conjunto la mitad del tiempo, y por tanto no puede disipar energía. Un solo elemento de Clase B se encuentra raramente en la práctica, a pesar de que se puede utilizar en Amplificador de potencia RF en donde los niveles de distorsión son menos importantes. Sin embargo Clase C se utiliza más comúnmente para esto.

Amplificador Clase B

Un circuito práctico utilizando elementos de la Clase B es el par complementario o acuerdo "push-pull". Aquí, los dispositivos complementarios o cuasi complementaria se utilizan para cada amplificar las mitades opuestas de la señal de entrada, que se recombina a continuación en la salida. Esta disposición proporciona una excelente eficiencia, pero puede sufrir del inconveniente de que hay un pequeño desajuste en el "une" entre las dos mitades de la señal. Se llama distorsión de cruce. Una mejora es sesgar los dispositivos para que no estén completamente fuera cuando no están en uso. Este enfoque se denomina operación de clase AB.

En el funcionamiento de Clase AB, cada dispositivo opera de la misma manera como en la Clase B sobre la mitad de la forma de onda, pero también lleva a cabo una pequeña cantidad en la otra mitad. Como resultado, la región donde ambos dispositivos al mismo tiempo son casi off (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.

Clase AB sacrifica cierta eficiencia a través de la clase B a favor de la linealidad, así siempre será menos eficiente (por debajo del 78,5%). Es típicamente mucho más eficiente que la clase A.

Amplificador push-pull Clase B

Clase circuitos push-pull AB B o son el tipo de diseño más común que se encuentra en los amplificadores de potencia de audio. Clase AB es ampliamente considerado como un buen compromiso para amplificadores de audio, ya que gran parte de las veces la música es lo suficientemente tranquilo que la señal se mantiene en la región "clase A", donde se amplifica con buena fidelidad, y por definición, si volviéramos a salir de esta región, es lo suficientemente grande para que los productos de distorsión típicas de clase B son relativamente pequeñas. La distorsión de cruce puede reducirse aún más mediante el uso de retroalimentación negativa. Clase B y AB amplificadores se utilizan a veces para RF amplificadores lineales también. Los amplificadores de clase B también se ven favorecidos en los dispositivos que funcionan con baterías, como radios de transistores.

Digital Clase B

Un amplificador Clase-B limita la potencia de salida con un carril de alimentación de una sola terminal de 5V +/- 10%.

Clase C

Los amplificadores de clase C conducen menos de 50% de la señal de entrada y la distorsión en la salida es alta, pero alta eficiencia (hasta 90%) son posibles. Algunas aplicaciones (por ejemplo, megáfonos) puede tolerar la distorsión. Una aplicación mucho más común que los amplificadores de clase C está en RF transmisores, donde la distorsión puede ser muy reducido mediante el uso de cargas sintonizados en la etapa de amplificación. La señal de entrada se utiliza para aproximadamente conmutar el dispositivo de amplificación dentro y fuera, lo que hace que los pulsos de la corriente fluya a través de una circuito sintonizado.

El amplificador Clase C tiene 2 modos de funcionamiento: sintonizados, y no sintonizados. El siguiente diagrama muestra una forma de onda de un circuito de clase C simple, sin la carga sintonizada. Esto se denomina operación no sintonizado, 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 LC puro), 2 cosas sucedan. El primero es que el nivel de polarización de la salida se "amarrada", de modo que la variación de salida está centrado en la mitad de la tensión de alimentación. Esta es la razón por la operación sintonizado es a veces llamado un "fijador". Esta acción de elevar el nivel de polarización permite la forma de onda para ser restaurado a su forma adecuada, lo que permite una forma de onda completa a restablecerse a pesar de tener sólo un suministro de un polaridad. Esto está directamente relacionado con el segundo fenómeno: la forma de onda de la frecuencia central se convierte en mucho menos distorsionado. La distorsión que está presente depende de la anchura de banda de la carga sintonizada, con la frecuencia central de ver muy poca distorsión, pero la mayor atenuación más lejos de la frecuencia sintonizada la señal que recibe.

El circuito sintonizado sólo resonará a determinadas frecuencias, por lo que las frecuencias no deseadas se suprimen de manera espectacular, y la señal completa querido (onda sinusoidal) será extraído por la carga sintonizada ( por ejemplo, una campana de alta calidad le suene a una frecuencia particular cuando es golpeado periódicamente con un martillo). Siempre que el transmisor no está obligado a operar en una amplia banda de frecuencias, esta disposición funciona muy bien. Otros armónicos residuales se pueden eliminar con un filtro.

C Amplificador Clase

Clase D

Amplificadores de clase D son mucho más eficientes que los amplificadores de potencia clase AB. Como tal, amplificadores de clase D no necesitan grandes transformadores y los disipadores de calor pesados, lo que significa que son más pequeños y más ligero en peso que un amplificador de clase AB equivalente. Todos los dispositivos de potencia en un amplificador de clase D son operados en modo on / off. Etapas de salida, tales como los utilizados en generadores de impulsos son ejemplos de los amplificadores clase D. El término generalmente se aplica a los productos destinados a reproducir señales con un ancho de banda muy por debajo de la frecuencia de conmutación.

Estos amplificadores utilizan modulación de ancho de pulso, modulación de densidad de impulso (a veces referido como la modulación de frecuencia de impulsos) o la forma más avanzada de modulación tales como Modulación delta-sigma (por ejemplo, en el amplificador de potencia de audio Analog Devices AD1990 Clase-D).

La señal de entrada se convierte en una secuencia de impulsos cuyo valor promedio es directamente proporcional a la amplitud instantánea de la señal. La frecuencia de los impulsos es típicamente diez o más veces la frecuencia más alta de interés en la señal de entrada. La salida de un amplificador de este tipo contiene componentes espectrales no deseados (es decir, la frecuencia de impulsos y su armónicos) que debe ser eliminado por una pasiva filtro. La señal filtrada resultante es entonces una réplica amplificada de la entrada.

La principal ventaja de un amplificador de clase D es la eficiencia de energía. Debido a que los impulsos de salida tienen una amplitud fija, los elementos de conmutación (por lo general MOSFETs, pero las válvulas y transistores bipolares fueron una vez utilizados) se cambian ya sea dentro o fuera, en lugar de funcionar en modo lineal. Esto significa que muy poca energía es disipada por los transistores, excepto durante el breve intervalo entre el dentro y fuera de los estados. La energía desperdiciada es baja debido a la potencia instantánea disipada en el transistor es el producto de tensión y corriente, y una o la otra es casi siempre cerca de cero. Las pérdidas más bajas permiten el uso de una más pequeña disipador de calor mientras que el requisitos de alimentación se reducen también.

Amplificadores de clase D pueden ser controlados por cualquiera analógica o circuitos digitales. El control digital introduce distorsión adicional de error llamado cuantización causado por su conversión de la señal de entrada en un valor digital.

Amplificadores de clase D han sido ampliamente utilizados para controlar motores y casi exclusivamente para pequeños motores de corriente continua, sino que ahora también se utilizan como amplificadores de audio, con algunos circuitos adicional para permitir analógica que se convierte en una señal modulada en anchura de impulso mucho más alta frecuencia. La relativa dificultad de lograr una buena calidad de audio significa que casi todos se utilizan en aplicaciones donde la calidad no es un factor, como sistemas de audio estantería a precios módicos y "DVD-receptores" a mediados de los precios de los sistemas de cine en casa.

Amplificadores de audio de clase D de alta calidad están ahora, sin embargo, comienzan a aparecer en el mercado:

• Tripath haber llamado a su clase revisada D diseña Clase T.
• Sistema de clase D ICEPower Bang y Olufsen ha sido utilizado en la gama Alpine PDX y gama PRS de Pioneer y para algunos equipos de otros fabricantes.

Estos diseños revisados se han dicho para rivalizar con buenos amplificadores AB en términos de calidad.

Antes de estos diseños de mayor calidad existían un uso anterior de amplificadores de clase D y área prolífica de aplicación era de alta potencia, amplificadores subwoofer en los coches. Debido subwoofers se limitan generalmente a un ancho de banda de no más de 150 Hz, la velocidad de conmutación para el amplificador no tiene que ser tan alta como para un amplificador de rango completo. El inconveniente con diseños de clase D se utiliza para subwoofers de potencia es que sus filtros de salida (normalmente inductores que convierten la señal de ancho de pulso de nuevo en una forma de onda analógica) bajan el factor de amortiguamiento del amplificador.

Esto significa que el amplificador no puede impedir que la naturaleza reactiva del subwoofer de disminuir el impacto de los sonidos bajos (como se explica en la parte votaciones de la sección de clase AB). Los amplificadores de clase D para excitar los subwoofers son relativamente baratos, en comparación con los amplificadores de clase AB. Un amplificador subwoofer de 1000 vatios de clase D que puede operar a aproximadamente 80% a 95% de eficiencia cuesta alrededor de $ 250 USD, mucho menos que un amplificador de clase AB de este poder, que costaría varios miles de dólares.

La letra D se utiliza para designar esta clase amplificador es simplemente la siguiente letra después de C, y no representa digital. Los amplificadores de clase D y clase E a veces equivocadamente se describen como "digital" porque la forma de onda de salida superficialmente se parece un tren de impulsos de símbolos digitales, sino un amplificador de clase D simplemente convierte una forma de onda de entrada en una forma continua de ancho de pulso modulado señal analógica (onda cuadrada). (Una forma de onda digital sería de código de pulso modulada.)

Clases especiales

Clase E

El / amplificador de clase E F es un amplificador de potencia de conmutación altamente eficiente, que se utiliza típicamente a frecuencias tan altas que el tiempo de conmutación se vuelve comparable con el tiempo de servicio. Como se ha dicho en el amplificador de clase D-transistor está conectado a través de un-LC-circuito en serie a la carga, y se conecta a través de una gran L (inductancia) para la tensión de alimentación. La tensión de alimentación está conectado a tierra a través de un condensador grande para evitar fugas de RF de las señales en el suministro. El amplificador de clase E-agrega un C entre el transistor y tierra y utiliza un L definida ₁ para conectarse a la tensión de alimentación.

E Amplificador Clase

La siguiente descripción hace caso omiso de DC, que se puede añadir después fácilmente. El C mencionado anteriormente (C1 en la figura) y L son, en efecto, un circuito LC paralelo al suelo. Cuando el transistor está encendido, se empuja a través de la LC-circuito en serie en la carga y parte de la corriente comienza a fluir a la LC-circuito en paralelo a tierra. A continuación, el circuito LC en serie se balancea hacia atrás y compensa la corriente en el circuito LC paralelo. En este punto la corriente a través del transistor es cero y se apaga. Tanto los circuitos LC ahora están llenos de energía en la C y la L _0. Todo el circuito realiza una oscilación amortiguada.La amortiguación por la carga se ha ajustado de manera que algún tiempo después la energía de la Ls se ha ido en la carga, pero la energía en ambos C₀picos en el valor original, a su vez restaurar la tensión original, por lo que el voltaje a través de la transistor es cero de nuevo y puede ser encendido.

Con carga, frecuencia y ciclo de trabajo (0,5) como parámetros dados y la restricción de que la tensión no sólo se restaura, pero picos en el voltaje original, los cuatro parámetros (L, L ₀ , C, C ₀ ) se determinan. El F-amplificador de clase toma lo finito sobre la resistencia en cuenta y trata de hacer el toque actual al fondo en cero. Esto significa que el voltaje y la corriente en el transistor son simétricas con respecto al tiempo. La Transformada de Fourier permite una formulación elegante para generar los complicados LC-redes. Se dice que el primer armónico se pasa a la carga, todos los armónicos pares están cortocircuitados y todos los armónicos más altos impares están abiertas.

Clase F y los armónicos pares

En push-pull amplificadores y CMOS los armónicos pares de ambos transistores simplemente cancelan. Experimento dice que una onda cuadrada puede ser generado por los amplificadores y matemáticas dice que las ondas cuadradas no consisten en armónicos impares solamente. En un amplificador de clase D los bloques de filtros de salida de todos los armónicos, que significa que los armónicos ver una carga abierta. Así que incluso pequeñas corrientes en los armónicos son suficientes para generar una onda cuadrada de tensión. La corriente está en fase con la tensión aplicada al filtro, pero el voltaje a través de los transistores está fuera de fase. Por lo tanto hay un solapamiento mínimo entre la corriente a través de los transistores y voltaje a través de los transistores. La más nítida de los bordes más bajo es el solapamiento.

Mientras que la clase D ve los transistores y la carga como dos módulos separados la clase F admite imperfecciones como los parásitos del transistor y trata de optimizar el sistema global para tener una alta impedancia en los armónicos. Por supuesto que tiene que haber una tensión finita a través del transistor para empujar la corriente a través de la resistencia en estado. Debido a que la corriente combinada tanto a través de los transistores es principalmente en el primer armónico parece un seno. Eso significa que en el centro de la plaza del máximo de la corriente tiene que fluir, por lo que puede tener sentido para darse un chapuzón en la plaza o en otras palabras para permitir algunos sobre oscilación de la onda cuadrada de tensión. Una clase de red de carga F, por definición, tiene que transmitir por debajo de una frecuencia de corte y reflexionar anteriormente.

Cualquier frecuencia tumbado debajo de la corta y que tiene su segundo armónico por encima de la de corte puede ser amplificada, que es un ancho de banda de octava. Por otro lado un circuito serie LC con una gran L y un sintonizable C puede ser más sencillo de implementar. Al reducir el ciclo de trabajo por debajo de 0,5, la amplitud de salida puede ser modulada. La forma de onda cuadrada de tensión se degradará, pero cualquier sobrecalentamiento es compensado por el poder general más bajo que fluye. Cualquier desajuste de carga detrás del filtro sólo puede actuar en la primera forma de onda de corriente armónica, claramente solamente una carga puramente resistiva tiene sentido, entonces la menor es la resistencia más alta es la actual.

Clase F puede ser impulsado por sinusoidal o por una onda cuadrada, para un sine la entrada puede ser sintonizado por un L para aumentar la ganancia. Si la clase F se implementa con un solo transistor del filtro es complicado corta los armónicos pares. Todos los diseños anteriores utilizan bordes afilados para minimizar la superposición. Clase E utiliza una cantidad significativa de tensión de segunda armónica. El segundo armónico se puede utilizar para reducir el solapamiento con bordes con nitidez finito. Para que esto funcione de energía en el segundo armónico tiene que fluir de la carga en el transistor, y ninguna fuente de esto es visible en el diagrama del circuito. En realidad, la impedancia es principalmente reactiva y la única razón para ello es que la clase E es un amplificador de clase F, con una red de carga muy simplificada y por lo tanto tiene que lidiar con las imperfecciones.

En muchos aficionados simulaciones de amplificadores Clase E se supone bordes afilados actuales anular la propia motivación de la clase E y mediciones cerca de la frecuencia de tránsito de los transistores mostrar curvas muy simétricos, que se parecen mucho más similar a simulaciones clase F. El amplificador de clase E fue inventado en 1972 por Nathan O. Sokal y Alan D. Sokal, y los detalles se publicaron por primera vez en 1975. Algunos informes anteriores sobre esta clase de operación se han publicado en ruso.

Clase G y H

La demostración de la eficiencia teórica de Clase G part1 amplificador

La demostración de la eficiencia teórica de Clase G part2 amplificador

Hay una variedad de diseños de amplificadores que par una etapa de salida de clase AB con otras técnicas más eficientes para lograr una mayor eficiencia con baja distorsión. Estos diseños son comunes en las grandes amplificadores de audio, por ejemplo, ya que los disipadores de calor y transformadores de potencia serían prohibitivamente grande (y costoso) sin el aumento de la eficiencia. Los términos "clase G" y "clase H" se utilizan indistintamente para referirse a diferentes diseños, que van en la definición de un fabricante o un papel a otro.

Los amplificadores de clase G son una versión más eficiente de los amplificadores de clase AB, que utilizan "conmutación del carril" para disminuir el consumo de energía y aumentar la eficiencia. El amplificador cuenta con varios carriles de alimentación a diferentes voltajes, y cambia entre los carriles como la salida de señal se acerca cada uno. Así, el amplificador aumenta la eficiencia mediante la reducción de la energía desperdiciada en los transistores de salida.

Un amplificador Clase H toma la idea de Clase G crear un paso más allá un infinito número de carriles de alimentación. Esto se realiza mediante la modulación de los carriles de alimentación de modo que los carriles son sólo unos pocos voltios mayor que la señal de salida en cualquier momento dado. La etapa de salida funciona a su máxima eficiencia todo el tiempo. Fuentes de alimentación de modo conmutado se pueden utilizar para crear los raíles de seguimiento. Ganancias de eficiencia importantes se pueden lograr, pero con el inconveniente de diseño de la oferta más complicado y THD reducida.

Eficiencia Clase H Las clases pueden ser entendidos mediante los diagramas en cada sección a continuación con mayor facilidad. En aras de la ilustración, un transistor de unión bipolar se muestra como el dispositivo de amplificación, pero en la práctica esto podría ser un dispositivo de tubo de vacío o MOSFET. En un amplificador analógico (el tipo más común), la señal se aplica al terminal de entrada del dispositivo (base, puerta o rejilla), y esto hace que una unidad de salida proporcional a la corriente fluir fuera de la terminal de salida. La corriente de accionamiento de salida viene de la fuente de alimentación.

La señal de voltaje que se muestra es por lo tanto una versión más grande de la entrada, pero se ha cambiado de signo (invertida) mediante la amplificación. Son posibles otras disposiciones de dispositivo de amplificación, pero que dado (es decir, emisor común, fuente común o de cátodo común ) es el más fácil de entender y emplear en la práctica. Si el elemento de amplificación es lineal, a continuación, la salida será copia fiel de la entrada, sólo más grande e invertida. En la práctica real, los transistores no son lineales, y la salida sólo se aproximará a la entrada. No linealidad de cualquiera de varias fuentes es el origen de una distorsión en un amplificador. Qué clase de amplificador (A, B, AB o C) depende de cómo el dispositivo de amplificación es sesgada - en los diagramas de los circuitos de polarización se omiten para mayor claridad.

Cualquier amplificador real es una realización imperfecta de un amplificador ideal. Una limitación importante de un amplificador real es que la salida puede generar está limitada en última instancia por la potencia disponible de la fuente de alimentación. Un amplificador saturará y clip de la salida si la señal de entrada es demasiado grande para el amplificador para reproducir o si se exceden los límites de funcionamiento de un dispositivo.

Amplificadores Doherty

Una configuración híbrida recibiendo nueva atención es el amplificador Doherty, inventado en 1934 por William H. Doherty por los Laboratorios Bell (cuya hermana empresa, Western Electric, que entonces era un importante fabricante de transmisores de radio). El amplificador Doherty consiste en una clase principal-B (o "portador") fase en paralelo con un auxiliar de clase C (o "pico") etapa. La señal de entrada se divide uniformemente para conducir los dos amplificadores, y una red que combina resume las dos señales de salida y corrige las diferencias de fase entre los dos amplificadores. Durante los períodos de bajo nivel de la señal, el amplificador clase-B opera de manera eficiente en la señal y el amplificador clase C está inactivo y no consume energía. Durante los picos de señal alta las satura amplificador clase B y las patadas amplificador clase-C. La eficacia de anteriores diseños AM transmisor fue proporcional a la modulación, pero con la modulación promedio normalmente el 20 por ciento, los transmisores se limita a la eficiencia inferior al 50 por ciento. En el diseño de Doherty, incluso con cero modulación de un transmisor podría alcanzar al menos el 60 por ciento de eficiencia.

El amplificador Doherty sigue en uso en muy alta potencia de los transmisores de AM, pero para AM transmisores de baja potencia, amplificadores de válvulas de vacío, en general, fueron eclipsados ​​en la década de 1980 por los conjuntos de amplificadores de estado sólido, que se podrían conectar y desconectar con mucho granularidad más fina en respuesta a los requisitos de la entrada de audio. Sin embargo, el interés en la configuración Doherty ha sido revivido por las aplicaciones de telefonía celular-e inalámbrico de Internet, donde la suma de varios usuarios de envolvente constante crea un resultado agregado AM. El principal reto del amplificador Doherty para los modos de transmisión digital está en la alineación de las dos etapas y conseguir el amplificador clase C para encender y apagar rápidamente.

Otras clases

Varios fabricantes de amplificadores de audio han comenzado a "inventar" nuevas clases como una forma de diferenciarse. Estos nombres de clases por lo general no reflejan ninguna técnica de amplificación revolucionaria, y se utilizan sobre todo para fines de marketing. Esto puede ser fácilmente determinada por el hecho de que el nombre de la clase es una marca registrada o derechos de autor. Por ejemplo, K de corona y la I-Tech Series, así como varios otros modelos utilizan la tecnología patentada de Crown Clase-I (o BCA). Lab.gruppen utilizan una forma de clase amplificador D llamada clase TD o de orugas Clase D que sigue la forma de onda para amplificar con más precisión que sin los inconvenientes de los amplificadores tradicionales de clase D.

" Clase T "es una marca comercial de la empresa TriPath, que fabrica circuitos integrados de amplificador de audio. Esta nueva clase" T "es una revisión del amplificador de clase D común, pero con los cambios para asegurar la fidelidad en el espectro de audio completo, a diferencia de los diseños tradicionales de clase D. Opera en frecuencias diferentes, dependiendo de la potencia de salida, con valores que van desde un mínimo de 200 kHz a 1,2 MHz, utilizando un modulador de propiedad.

"Clase Z" es una marca comercial deZetex semiconductores y es una tecnología digital-retroalimentación directa.

Circuito amplificador

A los efectos de ilustración, se describe este circuito amplificador práctico. Podría ser la base para un amplificador de audio moderada potencia. Cuenta con una (aunque simplifica sustancialmente) diseño típico como se encuentra en los amplificadores modernos, con una clase AB etapa de salida push-pull, y utiliza algunos comentarios negativos en general. Los transistores bipolares se muestran, pero este diseño también sería realizable con FETs o válvulas.

Un circuito amplificador de práctica

La señal de entrada se acopla a través del condensador C1 a la base del transistor Q1. El condensador permite que el AC señal pase, pero bloquea el voltaje de polarización de CC establecido por las resistencias R1 y R2 de modo que cualquier circuito anterior no se ve afectado por ella. Q1 y Q2 forman un amplificador diferencial (un amplificador que multiplica la diferencia entre dos entradas por alguna constante), en una disposición conocida como un par de cola larga. Esta disposición se utiliza para permitir convenientemente el uso de retroalimentación negativa, que se alimenta desde la salida de Q2 a través de R7 y R8.

La retroalimentación negativa en el amplificador de diferencia permite que el amplificador para comparar la entrada a la salida real. La señal amplificada de Q1 se alimenta directamente a la etapa segunda, Q3, que es una etapa de emisor común que proporciona además la amplificación de la señal y la polarización de CC para las etapas de salida, Q4 y Q5. R6 proporciona la carga para la Q3 (Un mejor diseño probablemente utilizar algún tipo de carga activa aquí, como un sumidero de corriente constante). Hasta ahora, todo el amplificador está funcionando en Clase A. El par de salida están dispuestos en Clase AB push-pull, también llamado un par complementario. Ellos proporcionan la mayoría de la amplificación de corriente y conducir directamente la carga, conectado a través de DC-condensador de bloqueo C2. La diodos D1 y D2 proporcionan una pequeña cantidad de polarización de tensión constante para el par de salida, simplemente empuje ellos en el estado de conducción de modo que la distorsión de cruce se reduce al mínimo. Es decir, los diodos empujan la etapa de salida firmemente en el modo de clase AB (suponiendo que la caída de base-emisor de los transistores de salida se reduce por la disipación de calor).

Este diseño es simple, pero una buena base para un diseño práctico, ya que estabiliza automáticamente su punto de funcionamiento, ya que la retroalimentación opera internamente desde DC a través de la gama de audio y más allá. Otros elementos del circuito probablemente serían encontrados en un diseño real que rodar fuera de la respuesta de frecuencia por encima de la gama necesaria para evitar la posibilidad de no deseado de oscilación. Además, el uso de sesgo diodo fija como se muestra aquí puede causar problemas si los diodos no son tanto eléctrica como térmicamente adaptado a los transistores de salida - si los transistores de salida se convierten en demasiado, ya que pueden recalentarse y destruir fácilmente a sí mismos, como la corriente completa desde la fuente de alimentación no se limita en esta etapa.

Una solución común para ayudar a estabilizar los dispositivos de salida es incluir algunas resistencias de emisor, normalmente una ohmios o menos. Cálculo de los valores de las resistencias y condensadores del circuito se realiza basándose en los componentes empleados y el uso previsto del amplificador.

Para los conceptos básicos de los amplificadores de radiofrecuencia utilizando válvulas, consultecon válvula amplificadores de RF.