2.4: Eficiencia del amplificador

Hay varias formas de expresar la eficiencia del amplificador dependiendo de cómo se trate la potencia de entrada de RF. Una medida de eficiencia de un circuito es la potencia de salida útil dividida por la potencia de entrada, y considera la contribución de la potencia de entrada de RF. Esta medida de eficiencia se denomina eficiencia de potencia agregada (PAE). A frecuencias de RF y microondas, la definición más común de PAE utilizada con amplificadores de potencia se centra en la potencia de RF adicional dividida por la potencia de entrada de CC. Así

\[\label{eq:1}\eta_{\text{PAE}}=\frac{P_{\text{RF, out}}-P_{\text{RF, in}}}{P_{\text{DC}}} \]

Existe otra definición de PAE, pero es menos utilizada a frecuencias de RF y microondas [8]. Sin embargo, esta definición alternativa se puede utilizar con cualquier red de dos puertos. Los diseñadores de circuitos de RF y microondas se refieren a esto como la eficiencia total de potencia agregada y a frecuencias más bajas se llama eficiencia de la cadena de transmisión. Esta eficiencia se denota\(\eta_{\text{total}}\) y se define como

\[\label{eq:2}\eta_{\text{total}}=\frac{P_{\text{RF, out}}}{P_{\text{DC}}+P_{\text{RF, in}}} \]

Los ingenieros de RF también se refieren a esto como la eficiencia general del amplificador:

\[\label{eq:3}\eta_{\text{overall}}=\eta_{\text{total}}=\frac{P_{\text{RF, out}}}{P_{\text{DC}}+P_{\text{RF, in}}} \]

Una definición final es la eficiencia promedio del amplificador,\(\eta_{\text{avg}}\) [9]. Esta métrica tiene en cuenta el nivel variable en el tiempo de una comunicación modulada

Ganancia de potencia\((\text{dB})\)	\(\eta_{\text{TOTAL}}\)	\(\eta_{\text{PAE}}\)	\(\eta_{D}\)
\ ((\ text {dB})\) ">\(3\)	\ (\ eta_ {\ text {TOTAL}}\) ">\(40\%\)	\ (\ eta_ {\ texto {PAE}}\) ">\(25\%\)	\ (\ eta_ {D}\) ">\(50\%\)
\ ((\ text {dB})\) ">\(6\)	\ (\ eta_ {\ text {TOTAL}}\) ">\(44\%\)	\ (\ eta_ {\ texto {PAE}}\) ">\(37\%\)	\ (\ eta_ {D}\) ">\(50\%\)
\ ((\ text {dB})\) ">\(10\)	\ (\ eta_ {\ text {TOTAL}}\) ">\(48\%\)	\ (\ eta_ {\ texto {PAE}}\) ">\(45\%\)	\ (\ eta_ {D}\) ">\(50\%\)
\ ((\ text {dB})\) ">\(15\)	\ (\ eta_ {\ text {TOTAL}}\) ">\(49\%\)	\ (\ eta_ {\ texto {PAE}}\) ">\(48\%\)	\ (\ eta_ {D}\) ">\(50\%\)
\ ((\ text {dB})\) ">\(20\)	\ (\ eta_ {\ text {TOTAL}}\) ">\(50\%\)	\ (\ eta_ {\ texto {PAE}}\) ">\(50\%\)	\ (\ eta_ {D}\) ">\(50\%\)
\ ((\ text {dB})\) ">\(40\)	\ (\ eta_ {\ text {TOTAL}}\) ">\(50\%\)	\ (\ eta_ {\ texto {PAE}}\) ">\(50\%\)	\ (\ eta_ {D}\) ">\(50\%\)

Tabla\(\PageIndex{1}\): Comparación de métricas de eficiencia para un amplificador que produce potencia de salida de\(1\text{ W}\) RF y consumo\(2\text{ W}\) de energía de CC con varias ganancias de potencia.

Figura\(\PageIndex{1}\): Amplificadores polarizados resistivamente de clase A: (a) transistor BJT con B para terminal base, C para terminal de colector y E para terminal emisor; (b) transistor MOSFET con G para terminal de puerta, D para terminal de drenaje y S para terminal de fuente; y (c) amplificador push-pull de Clase B o Clase C.

y es la relación entre la potencia de salida de RF promedio y la potencia de entrada de CC promedio:

\[\label{eq:4}\eta_{\text{avg}}=\frac{P_{\text{RF, out, avg}}}{P_{\text{DC, avg}}} \]

Para los amplificadores de alta ganancia\(P_{\text{RF, in}} ≪ P_{\text{DC}}\),, y todas las eficiencias se vuelven aproximadamente equivalentes y simplemente se llama la eficiencia\(\eta\),, del amplificador:

\[\label{eq:5}\eta=\frac{P_{\text{RF, out}}}{P_{\text{DC}}}\approx\eta_{\text{PAE}}\approx\eta_{\text{total}}\approx\eta_{\text{avg}}\approx\eta_{\text{overall}}\quad\text{(high gain)} \]

Cuando la alimentación de CC de entrada primaria se alimenta al drenaje de un FET, se usa el término eficiencia de drenaje\(\eta_{D}\),,:

\[\label{eq:6}\eta_{D}=\frac{P_{\text{RF, out}}}{P_{\text{DC}}} \]

Este término también se usa cuando el dispositivo es un BJT o HBT, aunque el término eficiencia del colector sería más apropiado.

Las métricas de eficiencia se comparan en la Tabla\(\PageIndex{1}\) para un amplificador con potencia de salida\(1\text{ W}\) RF. El primer amplificador tiene una ganancia de potencia de\(3\text{ dB}\), que es comúnmente la ganancia de la etapa final del amplificador que produce la potencia de salida máxima disponible de una tecnología de transistor particular.