Amplificador lineal

Un amplificador lineal es un circuito electrónico cuya salida es proporcional a su entrada, pero capaz de entregar más potencia a una carga. El término generalmente se refiere a un tipo de amplificador de potencia de radiofrecuencia (RF), algunos de los cuales tienen una potencia de salida medida en kilovatios y se utilizan en radioaficionados. Otros tipos de amplificador lineal se utilizan en equipos de audio y de laboratorio. La linealidad se refiere a la capacidad del amplificador para producir señales que son copias exactas de la entrada. Un amplificador lineal responde a diferentes componentes de frecuencia de forma independiente y tiende a no generar distorsión armónica o distorsión de intermodulación. Sin embargo, ningún amplificador puede proporcionar una linealidad perfecta, porque los dispositivos amplificadores (transistores o válvulas de vacío) siguen una función de transferencia no lineal y dependen de técnicas de circuitos para reducir esos efectos. Hay varias clases de amplificadores que ofrecen diversas compensaciones entre costo de implementación, eficiencia y precisión de la señal.

Explicación

La linealidad se refiere a la capacidad del amplificador para producir señales que son copias exactas de la entrada, generalmente a niveles de potencia aumentados. La impedancia de carga, el voltaje de suministro, la corriente base de entrada y las capacidades de salida de potencia pueden afectar la eficiencia del amplificador.

Los amplificadores Clase-A se pueden diseñar para tener buena linealidad en ambos soltero terminado y push-pull topologías. Los amplificadores de las clases AB1, AB2 y B sólo pueden ser lineales cuando se emplea un circuito de tanque sintonizado, o en la topología push-pull, en la que se utilizan dos elementos activos (tubos, transistores) para amplificar partes positivas y negativas del ciclo RF respectivamente. Clase- Los amplificadores C no son lineales en ninguna topología.

Clases amplificadoras

Hay una serie de clases de amplificador que ofrecen diversas compensaciones entre el costo de aplicación, la eficiencia y la precisión de la señal. Su uso en aplicaciones RF se enumera brevemente a continuación:

• Amplificadores Clase-A son muy ineficientes, nunca pueden tener una eficiencia mejor que el 50%. El semiconductor o tubo de vacío conduce a lo largo de todo el ciclo RF. La corriente media de ánodo para un tubo de vacío debe establecerse en el centro de la sección lineal de la curva del potencial de sesgo de corriente de ánodo vs.
• Amplificadores Clase-B puede ser 60-65% eficiente. El semiconductor o tubo de vacío conduce a través de la mitad del ciclo, pero requiere una gran potencia de conducción.
• Clase AB1 es donde la cuadrícula es más sesgada negativamente que en la clase A.
• Clase AB2 es donde la cuadrícula es a menudo más sesgada negativamente que en AB1, también el tamaño de la señal de entrada es a menudo mayor. Cuando la unidad es capaz de hacer que la cuadrícula se vuelva positiva la corriente de cuadrícula aumentará.
• Amplificadores Clase-C puede ser aproximadamente 75% eficiente con un rango de conducción de unos 120°, pero son muy no lineales. Sólo se pueden utilizar para modos no-AM, como FM, CW o RTTY. El semiconductor o tubo de vacío conduce a través de menos de la mitad del ciclo RF. El aumento de la eficiencia puede permitir un tubo de vacío dado para ofrecer más potencia RF de lo que podría en la clase A o AB. Por ejemplo, dos tetrodes 4CX250B que operan a 144 MHz pueden entregar 400 vatios en la clase A, pero cuando sesgadas en la clase C pueden entregar 1.000 vatios sin temor a sobrecalentamiento. Se necesitará aún más corriente de rejilla.
• Amplificadores clase-D utilizar la tecnología de conmutación para lograr una alta eficiencia, a menudo superior al 90%, lo que requiere menos energía para operar, en comparación con la de otros tipos de amplificadores. Debido al tren digital utilizado para conducir el amplificador, muchos no consideran el amplificador Class-D un amplificador lineal, sin embargo muchos fabricantes de audio y radio han incorporado su diseño en aplicaciones lineales.

Aunque los amplificadores de potencia de clase-A (PA) son los mejores en términos de linearidad, su eficiencia es bastante pobre en comparación con otras clases de amplificación como “AB”, “C” y amplificadores Doherty. Sin embargo, la mayor eficiencia conduce a una mayor no linealidad y la producción de PA se distorsionará, a menudo en la medida en que no se cumplan los requisitos de rendimiento del sistema. Por lo tanto, los amplificadores de potencia de clase-AB u otras variaciones se utilizan con alguna forma adecuada de esquemas de linearización tales como retroalimentación, alimentación o predistorción analógica o digital (DPD). En los sistemas de amplificador de potencia DPD, las características de transferencia del amplificador se modelan mediante el muestreo de la salida de la PA y las características inversas se calculan en un procesador DSP. La señal de banda base digital se multiplica por la inversa de las características de transferencia PA no lineal, convertidas a frecuencias RF y se aplica a la entrada PA. Con un diseño cuidadoso de la respuesta de PA, los motores DPD pueden corregir la distorsión de salida de PA y lograr mayores eficiencias.

Con los avances en las técnicas de procesamiento de señales digitales, la predistorsión digital (DPD) ahora se usa ampliamente para los subsistemas de amplificadores de potencia de RF. Para que un DPD funcione correctamente, las características del amplificador de potencia deben ser óptimas y hay técnicas de circuito disponibles para optimizar el rendimiento del PA.

Radio aficionada

Algunos amplificadores lineales de uno a dos kilovatios fabricados comercialmente y utilizados en radioaficionados todavía utilizan tubos de vacío (válvulas) y pueden proporcionar una amplificación de potencia de RF de 10 a 20 veces (10 a 13 dB). Por ejemplo, un transmisor que impulse la entrada con 100 vatios se amplificará a 2000 vatios (2 kW) de salida a la antena. Los amplificadores lineales de estado sólido son más comunes en el rango de 1000 vatios y pueden funcionar con tan solo 5 vatios. Los dispositivos de potencia modernos que utilizan tecnología LDMOS permiten amplificadores de potencia de RF lineales más eficientes y rentables para la comunidad de radioaficionados.

Los grandes amplificadores lineales de tubos de vacío generalmente dependen de uno o más tubos de vacío alimentados por una fuente de alimentación de muy alto voltaje para convertir grandes cantidades de energía eléctrica en energía de radiofrecuencia. Los amplificadores lineales necesitan funcionar con polarización de clase A o clase AB, lo que los hace relativamente ineficientes. Si bien la clase C tiene una eficiencia mucho mayor, un amplificador de clase C no es lineal y solo es adecuado para la amplificación de señales de envolvente constante. Estas señales incluyen FM, FSK, MFSK y CW (código Morse).

Estaciones de radiodifusión

Las etapas de salida de los transmisores profesionales de radiodifusión AM de hasta 50 kW deben ser lineales y actualmente suelen construirse utilizando tecnologías de estado sólido. Los grandes tubos de vacío todavía se utilizan para transmisores internacionales de radiodifusión de onda larga, media y corta desde 500 kW hasta 2 MW.