¿Qué clase de amplificador de potencia debería usar?

Los amplificadores de potencia son conceptualmente simples, pero no todos los amplificadores de potencia son creados iguales. Ciertamente tienen especificaciones y capacidades competitivas, pero más importante es la topología y funcionalidad de estos circuitos cuando se colocan en un sistema real. La funcionalidad del amplificador de potencia se divide en clases, y hay muchas clases de amplificadores de potencia que funcionan de manera algo diferente. Hay suficientes clases de amplificadores de potencia que puede ser difícil para todos memorizar cómo funciona cada amplificador, así como qué clases de amplificadores son preferibles en diferentes sistemas.

En este artículo, daré una visión general de las principales clases de amplificadores de potencia y cómo pueden usarse en diferentes sistemas. Como veremos, diferentes tipos de amplificadores de potencia están disponibles como circuitos integrados, y trabajan con diferentes métodos de conducción para proporcionar potencia. Características operativas como el empaquetado, la reproducción correcta de señales y la distorsión armónica son algunas de las métricas importantes a considerar al seleccionar amplificadores de potencia.

El otro punto importante a considerar es la posibilidad de sustituciones para amplificadores de potencia, especialmente en el ambiente moderno de escasez y largos tiempos de entrega. Algunos amplificadores de potencia son compatibles entre sí y pueden ser sustituidos directamente siempre que el empaquetado y los pines sean similares. Veremos las posibilidades de sustitución para los diversos tipos de amplificadores de potencia en este artículo al cubrir las clases de amplificadores de potencia.

Cómo Funcionan los Amplificadores de Potencia

Conceptualmente, los amplificadores de potencia no son diferentes de cualquier otro amplificador; ingresas una cierta señal, y la señal de salida es generalmente más intensa que la entrada. La señal de entrada se amplifica hasta cierto valor máximo, que puede ser ajustable con un banco de E/S o a través de la fuerza de la señal moduladora de entrada. A continuación, se muestra un ejemplo de una topología típica de amplificador de potencia.

En términos generales, las clases de amplificadores de potencia se delimitan por su mecanismo de conducción, y se delimitan aún más por la topología del circuito. Los amplificadores de potencia pueden ser impulsados con una señal de onda cuadrada modulada, o con una señal de CA de entrada directamente como se muestra en la imagen anterior. Más allá del mecanismo de conducción, hay varios factores que diferencian las clases de amplificadores de potencia:

• Método de modulación (PWM, PFM, sigma-delta, etc.)

• Topología de entrega de potencia (suministro único, suministros en cascada)

• Topologías push-pull

• Generación de armónicos intencional vs. no intencional

Características de los Amplificadores de Potencia

Más allá de estos puntos, los amplificadores de potencia pueden tener una variedad de estructuras y características incorporadas en el producto. Por ejemplo, ciertos amplificadores de potencia tienen configuraciones push-pull únicas en la etapa de salida, mientras que otros son simples amplificadores de transistores (particularmente a bajas frecuencias). Los amplificadores también pueden usar una topología en cascada para proporcionar ganancia adicional, o pueden usar un preamplificador. Más allá de los requisitos operativos básicos encontrados en las clases de amplificadores de potencia, realmente cualquier cosa es posible para agregar características, asegurar el acondicionamiento de la señal o proporcionar una interfaz para controlar la ganancia.

¿Módulos o Chips?

Los productos de amplificadores de potencia están disponibles como chips para su uso en dispositivos más pequeños, o como módulos que pueden integrarse en dispositivos mucho más grandes. Muchos circuitos integrados de amplificadores de potencia se clasifican en diferentes categorías y pueden usarse en muchas aplicaciones, aunque muchos de los productos de amplificadores de potencia clasificados están construidos para audio. La mayoría de los otros amplificadores de potencia que no se comercializan específicamente para audio y que solo usan un transistor como elemento activo son amplificadores Clase A, incluso si la hoja de datos o los materiales de marketing no listan una clase de amplificador específica.

Un ejemplo de componente es el LM4991 de Texas Instruments. Este amplificador de audio Clase AB proporciona hasta 3 W de potencia de salida operando a niveles lógicos (hasta 5.5 V). El componente puede duplicarse en paralelo para proporcionar salida estéreo a dos altavoces con niveles de distorsión THD + N muy bajos a lo largo del rango de audio. A continuación, se muestran algunos datos operativos y un circuito de aplicación.

Los amplificadores de potencia también están disponibles como módulos preempaquetados que incluyen muchas características. Algunos componentes o módulos de amplificadores de potencia están destinados a operar dentro de un ancho de banda específico, por lo que hay circuitos adicionales en la etapa de salida que proporcionan filtrado y adaptación de impedancia, especialmente en sistemas de alta frecuencia donde se originan señales de RF. Sin embargo, aún verá módulos de amplificadores de potencia operando en un amplio rango de frecuencias posibles, incluso alcanzando el rango de GHz. Estos módulos generalmente están destinados para aplicaciones de alta potencia.

El PE15A5068 de Pasternack es un amplificador Clase AB con 5 W de potencia de entrada de saturación operando de 2 a 18 GHz. Este módulo opera a 22 a 24 V DC con una ganancia típica de 37 dB. Estos módulos pueden ser bastante caros y están destinados solo para aplicaciones especializadas de RF en comunicaciones (por ejemplo, radios militares) o instrumentación. Este componente en particular está construido con un GaN FET, aunque otros componentes podrían estar construidos a partir de semiconductores compuestos III-V.

Amplificadores de Potencia Impulsados por AC

Estos amplificadores de potencia hacen uso de la señal de AC de entrada, y posiblemente de algún sesgo de desplazamiento de CC aplicado, para modular uno o más transistores. Puede haber un preamplificador en estos amplificadores para aumentar la sensibilidad de entrada y modular completamente los transistores.

Clase A

Los amplificadores de potencia Clase A se construyen con un único transistor de conmutación, independientemente del tipo de transistor de potencia. La intención de estos amplificadores es maximizar el rango lineal del dispositivo alrededor del punto Q del transistor para así prevenir la distorsión de la señal y la generación de armónicos. Estos amplificadores pueden tener un alto rango lineal cuando se construyen correctamente, y se pueden construir fácilmente a partir de componentes discretos. La desventaja de un amplificador Clase A es la generación de calor porque el transistor siempre está polarizado en CC en el estado de conducción, por lo tanto, siempre habrá algunas pérdidas de conducción leves.

Clase B

Estos amplificadores son similares a la Clase A, pero ofrecen menos calor desperdiciado mediante el uso de dos transistores que operan en polaridades inversas en una configuración push-pull, es decir, cada transistor solo suministra la mitad de la señal de entrada. Cada transistor se modula en OFF cuando el nivel de señal pasa de 0 V, lo que luego modula el otro transistor en ON. La desventaja de estos amplificadores es su tiempo muerto o zona muerta; durante el breve período en el que la señal pasa de 0 V, la señal de conducción entre las dos polaridades será subumbral, por lo que el transistor estará en OFF incluso si el nivel de señal es un valor pequeño y no nulo.

Nota que también existe un amplificador de potencia Clase AB, que combina los mejores aspectos de los circuitos amplificadores Clase A y Clase B con baja distorsión.

Clase C

Estos amplificadores utilizan un circuito LC paralelo en el terminal de polarización de entrada para proporcionar filtrado en la resonancia LC. Estos amplificadores operan sin polarización de CC con un solo transistor, por lo que tienen una fuerte distorsión en las frecuencias de operación típicas. Por lo tanto, normalmente no se utilizan en audio ni en nada que requiera un ancho de banda alto, en cambio, a menudo se utilizan como osciladores dado una entrada sinusoidal. El rango lineal de estos amplificadores también es muy bajo debido al punto de operación que se ha establecido para estos amplificadores.

Amplificadores de Potencia Impulsados por PWM

Estas clases de amplificadores de potencia son más comunes en aplicaciones digitales debido a la manera en que son impulsados. El método de conducción requerido puede generarse a partir de formas de onda analógicas, o el tren de pulsos podría ser sintetizado con un procesador digital.

Clase D y S

Estos dos amplificadores son amplificadores de conmutación no lineales que utilizan trenes de pulsos modulados y filtrado para producir la señal de salida deseada.

• Clase D: Estos amplificadores utilizan una sierra de entrada y la señal de entrada en un comparador para generar una señal modulada sigma-delta. Esta señal se utiliza para impulsar un circuito amplificador push-pull y la salida se filtra en el rango de audio.

• Clase S: Utiliza un modulador sigma-delta para producir una onda cuadrada de salida, que se amplifica y luego se pasa a través de un filtro de paso de banda de alta Q para producir una onda senoidal.

Estos amplificadores operan con alta eficiencia y baja distorsión, lo que los hace comparables a los amplificadores Clase A/AB en términos de distorsión.

Clase F

Un amplificador Clase F está diseñado para usar un conjunto de resonadores armónicos de alta Q para entregar potencia a una carga con bajas pérdidas resistivas. A medida que se concatenan más elementos resonadores en la etapa de salida, la forma de onda de salida se aproxima a una onda cuadrada con una conversión de potencia altamente eficiente. Las armónicas generadas son múltiplos de componentes en la señal de entrada, por lo que estos amplificadores son más útiles como generadores de onda cuadrada de alta potencia.

Clase G y H

Estos amplificadores de potencia son una mejora sobre los amplificadores Clase AB con un esquema de entrega de potencia único. La modulación en estos amplificadores se logra a medida que la señal de entrada obliga al dispositivo a cambiar entre múltiples valores de voltaje de riel durante su oscilación. La diferencia entre la Clase G y la Clase H es la diferencia entre suministros digitales y analógicos; los amplificadores Clase H utilizan un suministro de potencia que varía continuamente (analógico) mientras que la Clase G utiliza un conjunto de valores de voltaje de riel discretos.

Clase I

Esta clase de amplificador opera bajo el mismo concepto que un amplificador Clase B, pero utiliza dos circuitos push-pull en paralelo. Un circuito está activo durante el medio ciclo positivo mientras que el otro está activo durante el medio ciclo negativo. Cada lado del dispositivo alterna entre ENCENDIDO y APAGADO cuando el ciclo de trabajo del controlador PWM es del 50% justo en el punto de cruce por cero de la entrada.

Otros Componentes Para Circuitos de Amplificadores de Potencia

Los ejemplos anteriores deberían mostrar que las clases de amplificadores de potencia tienen más que ver con la estructura y menos con las capacidades. Esto típicamente significa que si sabes cómo construir y usar un circuito de amplificador de potencia pequeño, los conceptos pueden escalar rápidamente a mayores potencias o frecuencias.

En cualquier cadena de señal analógica o RF, el amplificador no será el único componente. Estos sistemas podrían estar cargados con otros componentes discretos u op-amps para proporcionar funciones como filtrado, o podrían usar componentes monolíticos especializados cuando operan a altas frecuencias. Algunos de los componentes importantes necesarios en los circuitos de amplificadores de potencia se enlazan a continuación.

• Amplificadores de bajo ruido para circuitos de recepción en sistemas RF

• Capacitores para filtros de alta frecuencia

• Amplificadores operacionales para circuitos analógicos

• GaN FETs para aplicaciones de alta frecuencia

En el caso de que estés construyendo un amplificador a partir de un conjunto de componentes discretos, necesitarás todos los componentes mostrados en el diagrama topológico anterior y, eventualmente, colocar estos en un PCB. Asegúrate de usar las mejores herramientas de cadena de suministro para encontrar los componentes que necesitas para tu diseño.

Las empresas que desean implementar una estrategia de cadena de suministro de just-in-case necesitan acceso a datos, perspectivas y una plataforma de abastecimiento como Octopart para ayudar a localizar y adquirir componentes. Octopart proporciona características avanzadas de búsqueda y filtración para ayudar a los compradores a encontrar componentes y datos actualizados de precios de distribuidores, inventario de partes y especificaciones de partes. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

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