Amplificador de figuras de mérito

En electrónica, las cifras de mérito de un amplificador son medidas numéricas que caracterizan sus propiedades y rendimiento. Las cifras de mérito se pueden dar como una lista de especificaciones que incluyen propiedades como ganancia, ancho de banda, ruido y linealidad, entre otras enumeradas en este artículo. Las cifras de mérito son importantes para determinar la idoneidad de un amplificador en particular para un uso previsto.

Ganancia

La ganancia de un amplificador es la relación entre la potencia de salida y la amplitud de entrada y, por lo general, se mide en decibelios. Cuando se mide en decibeles, se relaciona logarítmicamente con la relación de potencia: G(dB)=10 log(P_out /P< sub>en). Los amplificadores de RF a menudo se especifican en términos de la máxima ganancia de potencia que se puede obtener, mientras que la ganancia de voltaje de los amplificadores de audio y los amplificadores de instrumentación se especificará con más frecuencia. Por ejemplo, un amplificador de audio con una ganancia de 20 dB tendrá una ganancia de voltaje de diez.

El uso de la cifra de ganancia de voltaje es apropiado cuando la impedancia de entrada del amplificador es mucho más alta que la impedancia de la fuente y la impedancia de carga es más alta que la impedancia de salida del amplificador.

Si se comparan dos amplificadores equivalentes, el amplificador con ajustes de ganancia más altos sería más sensible, ya que necesitaría menos señal de entrada para producir una cantidad determinada de potencia.

Ancho de banda

El ancho de banda de un amplificador es el rango de frecuencias para el cual el amplificador brinda un "rendimiento satisfactorio". La definición de "rendimiento satisfactorio" puede ser diferente para diferentes aplicaciones. Sin embargo, una métrica común y bien aceptada son los puntos de media potencia (es decir, la frecuencia en la que la potencia desciende a la mitad de su valor máximo) en la curva de salida frente a frecuencia. Por lo tanto, el ancho de banda se puede definir como la diferencia entre los puntos de potencia medio inferior y superior. Por lo tanto, esto también se conoce como el ancho de banda de −3 dB. Los anchos de banda (también llamados "respuestas de frecuencia") para otras tolerancias de respuesta a veces se citan (−1 dB, −6 dB< /span> etc.) o "más o menos 1dB" (aproximadamente la diferencia de nivel de sonido que la gente suele detectar).

La ganancia de un amplificador de audio de rango completo de buena calidad será esencialmente plana entre 20 Hz y aproximadamente 20 kHz (el rango de la audición humana normal). En el diseño de un amplificador de ultra alta fidelidad, la respuesta de frecuencia del amplificador debería extenderse considerablemente más allá de esto (una o más octavas a cada lado) y podría tener puntos de −3 dB < 10 Hz y > 65 kHz. Los amplificadores de gira profesionales a menudo tienen filtrado de entrada y/o salida para limitar drásticamente la respuesta de frecuencia más allá de 20 Hz-20 kHz; De lo contrario, se desperdiciaría demasiada potencia de salida potencial del amplificador en frecuencias infrasónicas y ultrasónicas, y aumentaría el peligro de interferencia de radio AM. Los amplificadores de conmutación modernos necesitan un filtrado de paso bajo pronunciado en la salida para eliminar los armónicos y el ruido de conmutación de alta frecuencia.

El rango de frecuencia en el que la ganancia es igual o superior al 70,7 % de su ganancia máxima se denomina ancho de banda.

Eficiencia

La eficiencia es una medida de la cantidad de fuente de alimentación que se aplica de manera útil a la salida del amplificador. Los amplificadores de clase A son muy ineficientes, en el rango del 10 al 20 % con una eficiencia máxima del 25 % para el acoplamiento directo de la salida. El acoplamiento inductivo de la salida puede elevar su eficiencia hasta un máximo del 50%.

La eficiencia de drenaje es la relación entre la potencia de RF de salida y la potencia de CC de entrada cuando la potencia de CC de entrada principal se ha alimentado al drenaje de un transistor de efecto de campo. Según esta definición, la eficiencia de drenaje no puede exceder el 25 % para un amplificador de clase A que recibe corriente de polarización de drenaje a través de resistencias (porque la señal de RF tiene su nivel cero en aproximadamente el 50 % de la entrada de CC). Los fabricantes especifican eficiencias de drenaje mucho más altas, y los diseñadores pueden obtener eficiencias más altas proporcionando corriente al drenaje del transistor a través de un inductor o un devanado de transformador. En este caso, el nivel cero de RF está cerca del riel de CC y oscilará tanto por encima como por debajo del riel durante el funcionamiento. Mientras que el nivel de voltaje está por encima del riel de CC, la corriente es suministrada por el inductor.

Los amplificadores de clase B tienen una eficiencia muy alta, pero no son prácticos para el trabajo de audio debido a los altos niveles de distorsión (consulte: Distorsión cruzada). En el diseño práctico, el resultado de una compensación es el diseño de clase AB. Los amplificadores Clase AB modernos suelen tener eficiencias máximas entre el 30 y el 55 % en sistemas de audio y entre el 50 y el 70 % en sistemas de radiofrecuencia con un máximo teórico del 78,5 %.

Los amplificadores de conmutación de clase D disponibles en el mercado han informado eficiencias de hasta el 90 %. Se sabe que los amplificadores de clase C-F son amplificadores de muy alta eficiencia. RCA fabricó un transmisor de radiodifusión de AM que empleaba un solo triodo de mu bajo de clase C con una eficiencia de RF en el rango del 90%.

Los amplificadores más eficientes funcionan a menor temperatura y, a menudo, no necesitan ventiladores de refrigeración, incluso en diseños de varios kilovatios. La razón de esto es que la pérdida de eficiencia produce calor como subproducto de la energía perdida durante la conversión de potencia. En amplificadores más eficientes hay menos pérdida de energía por lo que a su vez menos calor.

En los amplificadores de potencia lineales de RF, como estaciones base celulares y transmisores de transmisión, se pueden usar técnicas de diseño especiales para mejorar la eficiencia. Los diseños de Doherty, que utilizan una segunda etapa de salida como "pico" amplificador, puede elevar la eficiencia desde el típico 15% hasta un 30-35% en un ancho de banda estrecho. Los diseños de Envelope Tracking pueden lograr eficiencias de hasta un 60 % al modular el voltaje de suministro al amplificador en línea con la envolvente de la señal.

Linealidad

Un amplificador ideal sería un dispositivo totalmente lineal, pero los amplificadores reales solo son lineales dentro de unos límites.

Cuando se aumenta la transmisión de señal al amplificador, la salida también aumenta hasta que se alcanza un punto en el que una parte del amplificador se satura y no puede producir más salida; esto se denomina recorte y produce distorsión.

En la mayoría de los amplificadores, se produce una reducción de la ganancia antes de que se produzca un recorte fuerte; el resultado es un efecto de compresión, que (si el amplificador es un amplificador de audio) suena mucho menos desagradable al oído. Para estos amplificadores, el punto de compresión de 1 dB se define como la potencia de entrada (o potencia de salida) donde la ganancia es 1 dB menos que la ganancia de señal pequeña. A veces, esta falta de linealidad está diseñada deliberadamente para reducir la molestia audible del recorte fuerte bajo sobrecarga.

Los efectos nocivos de la no linealidad se pueden reducir con retroalimentación negativa.

La linealización es un campo emergente, y existen muchas técnicas, como feed-forward, predistorsión, postdistorsión, para evitar los efectos no deseados de las no linealidades.

Ruido

Esta es una medida de cuánto ruido se introduce en el proceso de amplificación. El ruido es un producto indeseable pero inevitable de los dispositivos y componentes electrónicos; también, mucho ruido resulta de economías intencionales de fabricación y tiempo de diseño. La métrica para el rendimiento de ruido de un circuito es la figura de ruido o el factor de ruido. La figura de ruido es una comparación entre la relación señal a ruido de salida y el ruido térmico de la señal de entrada.

Rango dinámico de salida

El rango dinámico de salida es el rango, generalmente dado en dB, entre los niveles de salida útiles más pequeños y más grandes. El nivel útil más bajo está limitado por el ruido de salida, mientras que el más alto suele estar limitado por la distorsión. La relación de estos dos se cita como el rango dinámico del amplificador. Más precisamente, si S = potencia de señal máxima permitida y N = potencia de ruido, el rango dinámico DR es DR = (S + N) /N.

En muchos amplificadores de modo conmutado, el rango dinámico está limitado por el tamaño mínimo del paso de salida.

Velocidad de respuesta

La velocidad de respuesta es la velocidad máxima de cambio de la salida, normalmente expresada en voltios por segundo (o microsegundo). Muchos amplificadores tienen, en última instancia, una velocidad de respuesta limitada (normalmente por la impedancia de una corriente de excitación que tiene que superar los efectos capacitivos en algún punto del circuito), lo que a veces limita el ancho de banda de potencia total a frecuencias muy por debajo de la frecuencia de señal pequeña del amplificador. respuesta.

Tiempo de subida

El tiempo de subida, t_r, de un amplificador es el tiempo que tarda la salida en cambiar del 10 % al 90 % de su nivel final cuando se activa mediante una entrada escalonada. Para un sistema de respuesta gaussiana (o un RC roll-off simple), el tiempo de subida se aproxima mediante:

t_r * BW = 0,35, donde t_r es el tiempo de subida en segundos y BW es el ancho de banda en Hz.

Tiempo de asentamiento y timbre

El tiempo que tarda la salida en establecerse dentro de un cierto porcentaje del valor final (por ejemplo, 0,1 %) se denomina tiempo de establecimiento y, por lo general, se especifica para amplificadores verticales de osciloscopios y sistemas de medición de alta precisión. El timbre se refiere a una variación de salida que oscila por encima y por debajo del valor final de un amplificador y provoca un retraso en alcanzar una salida estable. El timbre es el resultado del sobreimpulso causado por un circuito subamortiguado.

Exceso

En respuesta a una entrada de paso, el sobreimpulso es la cantidad que la salida excede su valor final de estado estable.

Estabilidad

La estabilidad es un problema en todos los amplificadores con retroalimentación, ya sea que la retroalimentación se agregue intencionalmente o no. Es especialmente un problema cuando se aplica en múltiples etapas de amplificación.

La estabilidad es una preocupación importante en los amplificadores de RF y microondas. El grado de estabilidad de un amplificador se puede cuantificar mediante el llamado factor de estabilidad. Hay varios factores de estabilidad diferentes, como el factor de estabilidad de Stern y el factor de estabilidad de Linvil, que especifican una condición que debe cumplirse para la estabilidad absoluta de un amplificador en términos de sus parámetros de dos puertos.