4.3: Amplificadores de conmutación, clases D, E y F

Los amplificadores de conmutación son los amplificadores de RF más eficientes, pero también son los más difíciles de diseñar. Con los amplificadores lineales, como los amplificadores de Clase A, B, AB y C, hay un voltaje simultáneo apreciable a través del transistor y la corriente que fluye a través de él. Así, la potencia se disipa en el transistor en dicho amplificador. Las líneas de carga de CC y CA en la salida del transistor de un amplificador lineal coinciden esencialmente, como se ve en la característica de salida del transistor que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a). La línea de carga de CC es una línea recta y la línea de carga de CA sigue de cerca la línea de carga lineal de CC; de aquí es de donde proviene el amplificador lineal en lineal. Incluso cuando los efectos reactivos hacen que la línea de carga de CA circule (y se ve un bucle pequeño en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a)), todavía se usa el término amplificador lineal.

4.3.1 Formas de onda dinámicas

En un amplificador de conmutación hay poca tensión a través de la salida del transistor cuando hay corriente que fluye a través de él, y poca tensión cuando hay corriente. Esto se ve en la línea de carga de CA, también llamada línea de carga dinámica, de un amplificador de conmutación, mostrado en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b). Esta línea de carga se obtiene a través de una cuidadosa atención a la carga del transistor en los armónicos.

La línea de carga dinámica de un amplificador de conmutación se obtiene presentando las impedancias armónicas apropiadas a la salida del transistor. El esquema particular de terminación armónica (por ejemplo, circuitos cortos o abiertos en los armónicos pares e impares) conduce a la designación de un amplificador de conmutación como Clases D, E, F, etc. La característica clave de todos los amplificadores de conmutación es que cuando hay corriente a través del transistor, hay voltaje insignificante a través de la salida [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]. Además, cuando hay voltaje a través del transistor, hay poca corriente a través de él (ver Figura\(\PageIndex{1}\) (b)).

Los amplificadores de conmutación son una desviación conceptual de los amplificadores lineales Clase A, AB, B y C. Las formas de onda de salida del transistor de un amplificador de conmutación y las de los amplificadores de Clase A, AB, B y C se muestran en la Figura\(\PageIndex{2}\). Nuevamente se ve, en la Figura\(\PageIndex{2}\), que para un amplificador de conmutación los voltajes y formas de onda de corriente se desplazan y el voltaje a través del transistor y la corriente a través del mismo no ocurren simultáneamente. La potencia disipada por el transistor es el promedio del producto de la corriente a través de él y el voltaje a través de la salida. Por lo tanto, el amplificador de conmutación ideal consume muy poca energía de CC, transfiriendo casi toda la potencia de CC a la señal de RF de salida. El filtrado de paso de banda de la salida del amplificador da como resultado una salida de RF final con poca distorsión. Los amplificadores de conmutación son el amplificador preferido tanto en los teléfonos como en las estaciones base de los sistemas celulares.

Las eficiencias teóricas máximas de potencia agregada logradas por las diversas clases de amplificador con una señal de entrada sinusoidal se dan en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Con las señales moduladas, no se pueden lograr las eficiencias máximas, ya que normalmente la potencia de entrada promedio del amplificador debe ser respaldada por la relación de potencia de envolvente pico a media (PMEPR) de la señal de modo que la porción portadora pico de la señal tenga distorsión limitada. Generalmente la distorsión aceptable de la señal de pico se produce en el punto de\(1\text{ dB}\) compresión del amplificador. Esta es sólo una guía aproximada, pero útil. Los PMEPRs de varias señales moduladas digitalmente se dan en la Tabla\(\PageIndex{2}\), junto con su impacto en la eficiencia. Si hay dos transportistas, entonces el PMEPR del

Figura\(\PageIndex{1}\): Líneas de carga de CC y RF. Una línea de carga de CA también se llama línea de carga dinámica.

Figura\(\PageIndex{2}\): Formas de onda de entrada y salida de un transistor para diversas clases de amplificador. El voltaje de salida se mide a través del transistor (es) y la corriente es a través del (de los) transistor (es).

Clase Amplificador	Máxima eficiencia
Clase A (polarización resistiva)	\(25\%\)
Clase A (polarización inductiva)	\(50\%\)
Clase B	\(78.53\%\)
Clase C	\(100\%\)
Clase D	\(100\%\), pero típicamente\(75\%\)
Clase E	\(96\%\)
Clase F	\(88.36\%\)

Tabla\(\PageIndex{1}\): Eficiencias máximas teóricas de clases de amplificador con excitación sinusoidal.

la señal combinada será mayor, requiriendo aún mayor retroceso del amplificador [21]. En la práctica, las eficiencias logradas diferirán de estos valores teóricos. Esto se debe a que el PMEPR no captura completamente la naturaleza estadística de las señales y debido a la codificación y otras tecnologías que se pueden utilizar para reducir el PMEPR de un esquema de modulación digital.

4.3.2 Ángulo de conducción

El ángulo de conducción indica la proporción de tiempo que un dispositivo amplificador, típicamente un transistor, está conduciendo corriente con un ángulo de conducción que\(360^{\circ}\) indica que el dispositivo amplificador está siempre encendido. La opinión es que se está amplificando una señal sinusoidal lo cual es apropiado ya que la mayoría de los esquemas de comunicación producen una señal de RF que parece una onda sinusoidal con una amplitud y fase muy lentamente variables. Los amplificadores de clase A conducen la corriente durante todo el ciclo de RF y por lo tanto tienen un ángulo de conducción de\(360^{\circ}\). Un amplificador de Clase B está polarizado de modo que solo la mitad de una onda sinusoidal se produce en el

Señal	PMEPR \((\text{dB}\))	Factor de reducción de eficiencia	Clase A (sesgo L) PAE	Clase E PAE
FSK (ideal)	\ ((\ text {dB}\)) ">\(0\)	\(1.0\)	\(50\%\)	\(96\%\)
GMSK	\ ((\ text {dB}\)) ">\(3.0\)	\(0.501\)	\(25.1\%\)	\(48.1\%\)
QPSK	\ ((\ text {dB}\)) ">\(3.6\)	\(0.437\)	\(21.9\%\)	\(42\%\)
\(\pi /4\)DQPSK	\ ((\ text {dB}\)) ">\(3.0\)	\(0.501\)	\(25.1\%\)	\(48.1\%\)
OQPSK	\ ((\ text {dB}\)) ">\(3.3\)	\(0.467\)	\(23.4\%\)	\(44.8\%\)
\(8\)-PSK	\ ((\ text {dB}\)) ">\(3.3\)	\(0.467\)	\(23.4\%\)	\(44.8\%\)
\(64\)-QAM	\ ((\ text {dB}\)) ">\(7.8\)	\(0.166\)	\(8.3\%\)	\(15.9\%\)

Tabla\(\PageIndex{2}\): Reducciones de eficiencia por tipo de modulación para una sola portadora modulada. El amplificador de Clase A utiliza polarización inductiva de drenaje. El aumento de PMEPR es para múltiples portadores. Por ejemplo, para GMSK PMEPR\(= 3.01\text{ dB}\)\(6.02\text{ dB}\)\(9.01\text{ dB}\),\(11.40\text{ dB}\),\(14.26\text{ dB}\),, y\(17.39\text{ dB}\) para\(1,\: 2,\: 4,\: 8,\: 16,\) y\(32\) portadoras respectivamente. El PMEPR no aumenta\(3\text{ dB}\) cada vez que se duplica el número de portadoras porque estadísticamente los picos de envolvente de las portadoras individuales son menos propensos a alinearse para más portadoras.

salida, por lo que un amplificador de Clase B tiene un ángulo de conducción es\(180^{\circ}\). Un amplificador Clase AB tiene un ángulo de conducción entre\(180^{\circ}\) y\(360^{\circ}\) con la polarización, o se podría decir ángulo de conducción, ajustado para que la distorsión producida sea aceptable. Un amplificador de Clase C produce una salida para menos de la mitad de la onda sinusoidal de entrada y por lo tanto tiene un ángulo de conducción de menos de\(180^{\circ}\).

Los amplificadores de conmutación tienen una alta eficiencia al garantizar que hay poca corriente que fluye a través de un transistor cuando hay voltaje a través de él. Por lo tanto, un amplificador de conmutación está idealmente completamente encendido o completamente apagado. Idealmente la corriente fluye durante la mitad del tiempo y así lo es el ángulo de conducción\(180^{\circ}\). Sin embargo, el transistor debe hacer una transición entre estas regiones y el ángulo de conducción indica el grado de superposición. Para minimizar la superposición, el ángulo de conducción de un amplificador de conmutación real es menor que\(180^{\circ}\).

4.3.3 Clase D

El amplificador Clase D fue el primer tipo de amplificador de conmutación desarrollado. El concepto principal del amplificador de Clase D es usar el transistor como interruptor para que haya corriente insignificante que fluye a través del transistor cuando hay voltaje a través del mismo. La forma de audio del amplificador Clase D se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) (a) [14]. Las dos entradas del transistor tienen la misma señal de RF aplicada pero están desplazadas de nivel (pero el circuito para hacer esto se ha omitido así como el circuito de polarización apropiado). Cada transistor se aproxima a la operación de Clase C, por lo que solo se enciende un transistor a la vez. Las formas de onda de corriente y voltaje se muestran en la Figura\(\PageIndex{3}\) (c). Los transistores accionan un circuito resonante con\(L_{1}\) y\(C_{1}\) actúa como un filtro de paso de banda. El filtro reduce la distorsión de las formas de onda de voltaje y corriente presentadas a la carga de salida, pero da como resultado que el amplificador sea de banda estrecha. Este amplificador Clase D funciona muy bien en frecuencias de hasta unos pocos megahercios. Por encima de eso los transistores, que tienen polaridad opuesta, no están bien emparejados. En RF un amplificador Clase D más apropiado es como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) (b) [14, 15, 19, 22] donde, en este caso, se utilizan dos transistores NMO ya que tienen mayor movilidad que los transistores PMO. Las reactancias parásitas dan como resultado una superposición sustancial de las regiones de transición de corriente y voltaje y, por lo tanto, hay pérdida de potencia de RF en

Figura\(\PageIndex{3}\): Amplificador de Clase D: (a) forma de baja frecuencia; (b) forma de microondas; y (c) formas de onda de corriente y voltaje (donde\(v_{x}\) está la tensión drenaje-fuente y\(i_{x}\) es la corriente de drenaje) indicando qué transistor está encendido.

Figura\(\PageIndex{4}\): Amplificador Clase E.

transistores. Esta pérdida se puede reducir utilizando una forma alternativa del amplificador Clase D, llamado amplificador Clase D en modo de corriente, que conmuta la corriente en lugar de la tensión [23]. Se logran eficiencias\(75\%\) de alrededor.

4.3.4 Clase E

El amplificador de Clase E [15, 17] se basa en el concepto de amplificador de Clase D de usar un transistor como interruptor en lugar de como amplificador lineal. Un amplificador RF Clase E se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\). El circuito mostrado utiliza dos MOSFETS\(M_{1}\) siendo el transistor de conmutación y\(M_{2}\) actuando en parte como una carga activa. La función principal de\(M_{2}\) es traducir la corriente de drenaje de\(M_{1}\) en una tensión en la salida. El sesgo se proporciona a través\(L_{\text{CHOKE}}\), que presenta una alta impedancia de RF. \(L_{1}\)y\(C_{1}\) proporcionar una función de filtrado de paso de banda, mientras que\(L_{2}\) y\(C_{2}\) proporcionar coincidencia con la carga para que la impedancia que mira en el\(L_{2}\),\(C_{2}\) y la\(R_{L}\) red es una resistencia óptima,\(R_{\text{opt}}\). El circuito está diseñado de manera que\(L_{\text{CHOKE}}\), la capacitancia de salida parásita de los transistores\(L_{1}\)\(C_{1}\),, y\(R_{\text{opt}}\) formar un circuito oscilante amortiguado. Los dos MOSFET también pueden ser reemplazados por un solo transistor, típicamente un transistor HBT, como se muestra por el inserto en la Figura\(\PageIndex{4}\), y a veces se agrega un condensador desde la parte superior del transistor a tierra si la capacitancia del transistor parásito es insuficiente. Entonces, en la salida de los transistores hay un\(LC\) circuito paralelo a tierra

Figura\(\PageIndex{5}\): Amplificador Clase F.

(\(L_{\text{CHOKE}}\)y la capacitancia parásita de\(M_{2}\)) y un\(LC\) circuito en serie (\(L_{1}\)y\(C_{1}\)). Cuando los transistores están apagados (y tienen un alto voltaje a través de ellos), el\(LC\) circuito en serie proporciona corriente al\(LC\) circuito paralelo así como a\(R_{\text{opt}}\), en lugar de que la corriente sea extraída a través de los transistores. Cuando los transistores están encendidos (y tienen poca tensión a través de ellos), la oscilación procede en la dirección opuesta y la corriente se suministra a\(R_{\text{opt}}\) través de los transistores. Este es el mecanismo de oscilación con la resistencia\(R_{\text{opt}}\) proporcionando amortiguación. El diseño coincide con la frecuencia de oscilación natural con la frecuencia de la señal de RF.

4.3.5 Clase F

En el amplificador de Clase E el voltaje en el drenaje/colector del transistor es aproximadamente de una onda cuadrada y la corriente del transistor se aproxima a una media sinusoide. El amplificador Clase F lleva esto un paso más allá y realiza una onda de corriente cuadrada aproximada a través de los transistores, así como una onda de voltaje cuadrada desfasada [14, 15, 19]. Esto se logra mediante resonancia armónica.

Un amplificador de Clase F se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\), donde la señal de RF de banda estrecha tiene una frecuencia central\(f_{0}\). De nuevo\(M_{1}\) opera como un interruptor que produce una onda de voltaje cuadrada en la salida de los transistores. El\(L_{1}C_{1}\) circuito paralelo está sintonizado al tercer armónico de la señal de RF (es decir,\(3f_{0}\)), y este circuito paralelo proporciona corriente de tercer armónico cuando los transistores están apagados. El\(L_{1}C_{1}\) circuito es un cortocircuito aproximado en\(f_{0}\), y el\(L_{2}C_{2}\) circuito paralelo, sintonizado para ser resonante en\(f_{0}\), presenta un circuito abierto en\(f_{0}\) y cortocircuitos en los armónicos. El resultado neto es que la forma de onda de corriente que pasa a través de los transistores es una onda cuadrada razonable con armónicos primero y tercero y sin segundo armónico (tenga en cuenta que una onda cuadrada consiste solo en componentes de frecuencia impares). También tenga en cuenta que la corriente del tercer armónico no pasa a través de la carga. Este concepto podría continuar proporcionando un comportamiento similar en el quinto armónico también, pero luego se vuelve cada vez más difícil ajustar el diseño para que funcione según lo previsto. Al ser cuadradas tanto las ondas de voltaje como de corriente, menor es la superposición y menor es la potencia disipada en los transistores.

4.3.6 Amplificadores invertidos

Los amplificadores de conmutación Clase D y F descritos anteriormente están diseñados para conmutar el voltaje entre dos estados. El dual de estos son el amplificador invertido de Clase D [20, 23, 24, 25] y el amplificador de Clase F invertido [26, 27, 28, 29]. La intención del diseño es que los transistores en estos amplificadores conmuten la corriente en lugar de la tensión. También se les llama amplificadores de modo de corriente.

4.3.7 Resumen

Las ventajas de eficiencia de los amplificadores de conmutación son significativas y a menudo justifican el mayor costo de diseño. Se utilizan en amplificadores de potencia en la mayoría de las estaciones base y están empezando a usarse en celulares. A altas frecuencias de microondas y ondas milimétricas, las preocupaciones de estabilidad y el alto costo del diseño significan que muchos amplificadores seguirán siendo amplificadores lineales durante algún tiempo.