2.5: Amplificadores Clase A, AB, B y C

Los amplificadores de transistores utilizan varias estrategias de polarización diferentes. Las estrategias se identifican como clases de amplificadores que van desde la Clase A hasta la Clase G. En esta sección se consideran los amplificadores Clase A, AB, B y C y estos tienen las topologías básicas de la Figura 2.4.1, donde se han omitido las redes de coincidencia de entrada y salida. Los amplificadores de clase A-C tienen la misma impedancia presentada a la salida del amplificador a la frecuencia de funcionamiento y a

Figura\(\PageIndex{1}\): Características de corriente-voltaje de un transistor utilizado en un amplificador que muestra los puntos de reposo de varias clases de amplificadores.

armónicos. La Figura\(\PageIndex{1}\) (a) es la característica de salida de un transistor y muestra los puntos de reposo distintivos para las diversas clases de amplificador. Las características de entrada se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b), donde se muestran las formas de onda de corriente de entrada (\(I_{G}\)\(I_{D}\)) y salida () para una forma de onda de entrada sinusoidal (\(V_{GS}\)).

El diseño del amplificador consiste en un diseño para un funcionamiento lineal de baja potencia, que requiere una transferencia de potencia máxima en la entrada y salida del amplificador, y una compensación de distorsión y eficiencia aceptables. En la práctica, se debe tolerar cierto nivel de distorsión, y lo que es aceptable está incrustado en las especificaciones de los diversos sistemas inalámbricos.

Para baja distorsión, los picos de la señal de RF deben amplificarse linealmente, sin embargo, la potencia de CC consumida depende de la clase de amplificador. Con los amplificadores Clase A, la potencia de CC debe ser suficiente para proporcionar distorsión de bajo nivel de la señal de RF más grande para que la potencia de CC sea proporcional a la potencia de CA pico.

La situación es similar para los amplificadores Clase AB, con la diferencia de que la intención es aceptar alguna distorsión de la señal de pico para que la relación entre la potencia pico y la potencia de CC aún exista, pero la proporcionalidad directa ya no se mantiene. Para amplificadores de clase C y de clase superior, la potencia de CC es en su mayoría proporcional a la potencia promedio de RF. Entonces, para los amplificadores Clase A y Clase AB, el punto operativo promedio debe ser “retrocedido” para permitir una distorsión manejable de los picos de una señal, siendo el nivel de retroceso requerido proporcional al PMEPR de la señal modulada. Para las clases Clase C y superiores, el retroceso requerido proviene de la experiencia y la experimentación. Las características de la señal también determinan cuánta distorsión se puede tolerar.

El PMEPR de la señal es una indicación del tipo y cantidad de distorsión que se puede tolerar. El PMEPR de la señal de dos tonos es\(3\text{ dB}\), y las señales moduladas digitalmente pueden tener PMEPRs que van desde\(0\text{ dB}\) hasta\(20\text{ dB}\) o más. Una señal con un PMEPR más alto da como resultado una menor eficiencia, ya que se requiere más retroceso. Poniendo esto de otra manera, el sesgo de CC debe establecerse de manera que haya una distorsión mínima cuando la señal esté en su pico, pero

Figura\(\PageIndex{2}\): Características de corriente-voltaje de amplificadores de transistor mostrados con una línea de carga de amplificador Clase A: (a) amplificador bipolar; y (b) amplificador FET.

la potencia media de RF producida puede ser mucho menor que la potencia máxima de RF. (La potencia promedio de RF es aproximadamente una cantidad PMEPR por debajo de la potencia de RF pico). Por lo tanto, para una señal de PMEPR alto, generalmente se requiere una potencia de CC más alta para producir la misma potencia de RF. Esto es especialmente cierto para los amplificadores de Clase A.

2.5.1 Amplificador de Clase A

El amplificador de Clase A tiene una eficiencia limitada porque siempre hay una corriente de reposo sustancial que fluye independientemente de que la corriente de RF esté fluyendo o no. Las clases de amplificadores de orden superior logran una mayor eficiencia, pero distorsionan la señal de RF. Los loci de corriente y voltaje de los amplificadores Clase A, B, AB y C tienen una trayectoria similar en las características de corriente-voltaje de salida de un transistor. Las características de salida de un transistor se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a), mostrando lo que se llama la línea de carga lineal o CC y los puntos de polarización para las diversas clases de amplificador. La línea de carga es el lugar de la corriente y voltaje de CC a medida que se varía el voltaje de entrada de CC.

Con el amplificador Clase A, el transistor se polariza en el medio de las características del transistor, donde la respuesta tiene la linealidad más alta. Es decir, cuando la tensión de puerta varía debido a una señal aplicada, la tensión de salida y las variaciones de corriente son casi linealmente proporcionales a la entrada aplicada. El inconveniente es que siempre hay una corriente CC considerable que fluye, incluso cuando la señal de entrada es muy pequeña. Es decir, hay consumo de energía de CC independientemente de que se esté generando o no potencia de RF en la salida del transistor. Esto no es motivo de preocupación si se van a amplificar pequeñas señales de RF, ya que entonces se puede elegir un pequeño transistor para que los niveles de corriente CC sean pequeños. Es un problema si un amplificador debe manejar señales tanto grandes como pequeñas.

El amplificador de Clase A se define por su capacidad para amplificar señales pequeñas a medianas e incluso grandes con una distorsión mínima. Esto se logra polarizando un transistor en medio de sus características\(I-V\) (es decir, corriente-voltaje). La figura\(\PageIndex{2}\) muestra las\(I-V\) características de los transistores bipolar y FET mostrados en la figura 2.4.1, junto con la línea de carga de CC. La línea de carga es el lugar de la corriente y voltaje de salida. Para los amplificadores Clase A de la Figura 2.4.1 (a y b)

Figura\(\PageIndex{3}\): Amplificadores MOSFET Clase A de un solo extremo: (i) esquemáticos; y (ii) formas de onda de voltaje de drenaje.

las líneas de carga están definidas por

\[\label{eq:1}I_{C}=(V_{CC}-V_{CE})/R_{L}\quad\text{and}\quad I_{D}=(V_{DD}-V_{DS})/R_{L} \]

respectivamente. Estos se denominan amplificadores de un solo extremo, ya que los voltajes de entrada y salida se refieren a tierra. Un amplificador que utiliza un transistor bipolar (ya sea un BJT o un HBT), como se muestra en la Figura 2.4.1 (a), tiene las características de salida que se muestran en la Figura\(\PageIndex{2}\) (a). Aquí es el voltaje de salida del amplificador bipolar\(V_{CE}\), y esto oscila de un valor máximo de\(V_{CE\text{,max}}\) a un mínimo de\(V_{CE\text{,min}}\). Para un transistor bipolar\(V_{CE\text{,min}}\) es aproximadamente\(0.2\text{ V}\), mientras que\(V_{CE\text{,max}}\) para un circuito resistivamente polarizado es sólo la tensión de alimentación,\(V_{CC}\). El punto de reposo o polarización se muestra con voltaje colector-emisor\(V_{Q}\) y corriente de reposo\(I_{Q}\). Para un amplificador de Clase A, el punto de reposo es solo el punto de polarización, y esto está en medio de la oscilación de voltaje de salida y la pendiente de la línea de carga es establecida por la resistencia de carga,\(R_{L}\).

La\(I-V\) característica de salida de un amplificador FET se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\) (b). La diferencia notable entre estas características y las del transistor bipolar es que las curvas son menos abruptas a baja tensión de salida (es decir, baja\(V_{DS}\)). Esto da como resultado que el voltaje de salida mínimo del amplificador FET\(V_{DS\text{,min}}\), siendo mayor que el de un amplificador basado en BJT,\(V_{CE\text{,min}}\). Para un amplificador FET de RF típico,\(V_{DS\text{,min}}\) es\(0.5\text{ V}\).

Los amplificadores bipolar y FET de la Figura 2.4.1 utilizan polarización resistiva para que la oscilación de voltaje de salida máxima sea limitada. Además, la resistencia de polarización también es la resistencia de carga. Se han desarrollado diversas topologías alternativas que producen una gama de oscilaciones de voltaje de salida. Las variaciones comunes se muestran en la Figura\(\PageIndex{3}\) para un amplificador FET. La Figura\(\PageIndex{3}\) (a) es un amplificador Clase A polarizado resistivamente con la oscilación de voltaje de salida entre\(V_{DS\text{,min}}\) y\(V_{DD}\). El voltaje de drenaje-fuente en reposo está a medio camino entre estos extremos. La carga,\(R_{L}\), también proporciona un sesgo correcto. Un amplificador de Clase A más eficiente utiliza polarización inductiva, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) (b). La corriente de polarización ahora se proporciona a través del inductor de drenaje, y la carga\(R_{L}\),, no es parte del circuito de polarización. Con el amplificador Clase A cargado inductivamente, el voltaje de reposo es\(V_{DD}\) y la oscilación de voltaje de salida está entre\(V_{DS\text{,min}}\) y\(2V_{DD}\), ligeramente más del doble de la oscilación de voltaje del amplificador cargado resistivamente.

Un amplificador de Clase A se puede diseñar usando los\(S\) parámetros del transistor en una configuración específica. Idealmente, el efecto de la circuitería de polarización se incluiría en los\(S\) parámetros del transistor, pero el circuito de polarización

Figura\(\PageIndex{4}\): Formas de onda de entrada y salida para diversas clases de amplificador.

Figura\(\PageIndex{5}\): Líneas de carga de CC y RF de amplificadores Clase A, B y C. La línea de carga de CA también se llama línea de carga dinámica.

el diseño intenta presentar RF abierto o cortocircuitos según sea necesario para minimizar el impacto en el rendimiento de RF. Generalmente el diseño comienza con los\(S\) parámetros del transistor y asumiendo que no hay impacto en el circuito de polarización.

2.5.2 Eficiencia del amplificador

Dado que el amplificador de Clase A siempre está extrayendo corriente CC, su eficiencia es cercana a cero cuando la señal de entrada es muy pequeña. La máxima eficiencia de los amplificadores de Clase A es\(25\%\) si se utiliza polarización resistiva y\(50\%\) cuando se usa polarización inductiva. La eficiencia se mejora al reducir la potencia de CC, y esto se logra moviendo el punto de polarización más abajo de la línea de carga de CC, como en los amplificadores Clase B, AB y C mostrados en la Figura\(\PageIndex{1}\). La reducción del sesgo da como resultado distorsión de señal para grandes señales de RF. Esto se puede ver en las diversas formas de onda de salida mostradas en la Figura\(\PageIndex{4}\). Los amplificadores de Clase A tienen la linealidad más alta y los amplificadores de Clase B y C dan como resultado una distorsión considerable. Como compromiso, los amplificadores de Clase AB se utilizan en muchas aplicaciones celulares, aunque los amplificadores de Clase C se utilizan con esquemas de modulación de envolvente constante, como en GSM. Casi todos los amplificadores de señal pequeña son de Clase A.

El efecto de las capacitancias parásitas y los efectos de retardo (como los debidos al tiempo que tardan las portadoras en moverse a través de una base para un BJT o debajo de la puerta para un FET) dan como resultado que el lugar de corriente-voltaje para las señales de RF difiera de la situación de CC. Este efecto es captado por la línea de carga dinámica o AC, que se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

El amplificador de Clase A es una clase de baja eficiencia, pero altamente lineal. Las otras clases de amplificadores tienen mayores eficiencias pero diversos grados de distorsión, como se ve en la Figura\(\PageIndex{4}\). La salida del amplificador Clase B contiene una versión amplificada de solo la mitad de la señal de entrada, pero extrae solo una pequeña corriente de fuga cuando no se aplica señal. Con el amplificador Clase C debe haber alguna señal de entrada de RF positiva antes de que haya una salida: hay más distorsión pero no fluye corriente, ni siquiera corriente de fuga, cuando no hay señal de entrada de RF. El amplificador Clase AB es un compromiso entre los amplificadores Clase A y Clase B. Fluye menos corriente de CC que con la Clase A cuando hay una señal de entrada insignificante, y la distorsión es menor que con la Clase B. El filtrado, a menudo proporcionado por redes coincidentes, elimina los armónicos de la salida del amplificador, pero la distorsión en banda de las señales de ancho de banda finito permanece.

Los amplificadores de Clase C están polarizados de manera que casi no hay corriente drenaje-fuente (o colector-emisor) cuando no se aplica señal de RF, por lo que la forma de onda de salida tiene una distorsión considerable, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\). Esta distorsión es importante sólo si hay información en la amplitud de la señal. Los esquemas FM, PM y en menor medida GMSK dan como resultado señales con envolventes de RF constantes (o para GMSK casi constantes), por lo que no hay información contenida en la amplitud de la señal. Por lo tanto, los errores introducidos en la amplitud de una señal son de menor importancia y se pueden usar amplificadores de modo de saturación eficientes como un amplificador de Clase C. Por el contrario, los esquemas de modulación PSK y QAM no dan como resultado señales con envolventes de RF constantes y por lo tanto cierta información está contenida en la amplitud de la señal de RF. Para estas técnicas de modulación, se requieren amplificadores razonablemente lineales.

El amplificador Clase A presenta impedancias de entrada y salida que son casi independientes del nivel de la señal. Sin embargo, un amplificador de Clase B, AB o C presenta impedancias de entrada y salida que varían dependiendo del nivel de la señal de RF. Así, el diseño requiere más cuidado, ya que las posibilidades de inestabilidad son mayores y es más probable que se cumpla una condición de oscilación. Además, los amplificadores Clase B, AB y C generalmente no se utilizan en aplicaciones de banda ancha o a altas frecuencias (digamos arriba\(20\text{ GHz}\)) principalmente debido al problema de mantener la estabilidad. Los amplificadores de clase A son entonces la solución preferida ya que el diseño es más simple y el amplificador es más tolerante a los efectos parásitos y variaciones.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Efficiency of a Class A Amplifier

Determinar la eficiencia de un amplificador FET de Clase A con polarización resistiva utilizando las características FET mostradas en la Figura\(\PageIndex{2}\) (b).

Solución

Para la oscilación máxima del voltaje de salida, el punto quiescente debe estar a medio camino entre los voltajes máximos y mínimos de la fuente del dren,

\[\label{eq:2}V_{O}=V_{DS,\text{min}}+\left(\frac{V_{DS,\text{max}}-V_{DS,\text{min}}}{2}\right)=\left(\frac{V_{DD}+V_{DS,\text{min}}}{2}\right) \]

ya que\(V_{DS\text{,max}} = V_{DD}\). La corriente de reposo (CC) a través\(R_{L}\) es

\[\label{eq:3}I_{Q}=\frac{V_{DD}-V_{O}}{R_{L}}=\left(V_{DD}-\frac{V_{DD}+V_{DS,\text{min}}}{2}\right)\frac{1}{R_{L}}=\frac{V_{DD}-V_{DS,\text{min}}}{2R_{L}} \]

y la energía en reposo (CC) consumida es

\[\label{eq:4}P_{DC}=V_{DD}I_{Q}=V_{DD}\left(\frac{V_{DD}-V_{DS,\text{min}}}{2R_{L}}\right)=\frac{V_{DD}^{2}}{2R_{L}}\left(1-\frac{V_{DS,\text{min}}}{V_{DD}}\right) \]

El voltaje pico de la salida de CA es

\[\label{eq:5}V_{p}=(V_{DD}-V_{DS,\text{min}})/2 \]

de modo que la potencia de salida de RF en la carga es

\[\label{eq:6}P_{RF,\text{out}}=\frac{1}{2}\left(\frac{V_{DD}-V_{DS,\text{min}}}{2}\right)^{2}\frac{1}{R_{L}}=\frac{V_{DD}^{2}}{8R_{L}}\left(1-\frac{V_{DS,\text{min}}}{V_{DD}}\right)^{2} \]

Por lo tanto, la eficiencia del amplificador es

\[\label{eq:7}\eta=\frac{P_{RF,\text{out}}}{P_{DC}}=\frac{1}{4}\left(1-\frac{V_{DS,\text{min}}}{V_{DD}}\right) \]

Si se ignora el voltaje mínimo de drenaje (\(V_{DS\text{,min}} = 0\)), entonces\(\eta = 1/4 = 25\%\). Esta es la máxima eficiencia de un amplificador Clase A polarizado resistivamente.

Figura\(\PageIndex{6}\): Una red de dos puertos con entradas en la fuente y carga utilizadas en la definición de medidas de estabilidad: (a) red; (b) gráfica de flujo de señal de entrada; y (c) gráfica de flujo de señal de salida.