Clases de amplificador

No todos los amplificadores son iguales y existe una clara distinción entre la forma en que se configuran y operan sus etapas de salida. Las principales características operativas de un amplificador ideal son la linealidad, la ganancia de señal, la eficiencia y la potencia de salida, pero en los amplificadores del mundo real siempre existe un compromiso entre estas diferentes características.

Generalmente, los amplificadores de potencia o de señal grande se utilizan en las etapas de salida de los sistemas de amplificación de audio para impulsar la carga de un altavoz. Un altavoz típico tiene una impedancia de entre 4 Ω y 8 Ω, por lo que un amplificador de potencia debe poder suministrar las corrientes de pico altas necesarias para impulsar el altavoz de baja impedancia.

Un método utilizado para distinguir las características eléctricas de los diferentes tipos de amplificadores es por «clase» y, como tales, los amplificadores se clasifican de acuerdo con su configuración de circuito y método de operación. Entonces clases de amplificador es el término utilizado para diferenciar entre los diferentes tipos de amplificador.

Las clases de amplificador representan la cantidad de señal de salida que varía dentro del circuito amplificador durante un ciclo de operación cuando es excitada por una señal de entrada sinusoidal. La clasificación de los amplificadores varía desde operación completamente lineal (para usar en amplificación de señal de alta fidelidad) con muy baja eficiencia, hasta operación completamente no lineal (donde una reproducción fiel de la señal no es tan importante) pero con una eficiencia mucho mayor, mientras que otros son un compromiso entre los dos.

Las clases de amplificadores se agrupan principalmente en dos grupos básicos. Los primeros son los amplificadores de ángulo de conducción controlados clásicamente que forman las clases de amplificador más comunes de A, B, AB y C, que se definen por la longitud de su estado de conducción en alguna parte de la forma de onda de salida, de modo que la operación del transistor de la etapa de salida se encuentra en algún lugar entre estar «completamente ENCENDIDO» y «completamente APAGADO».

El segundo conjunto de amplificadores son las nuevas llamadas clases de amplificadores de «conmutación» de D, E, F, G, S, T , etc. Que utilizan circuitos digitales y modulación de ancho de pulso (PWM) para cambiar constantemente la señal entre «completamente- ENCENDIDO ”y“ completamente APAGADO ” impulsando la salida con fuerza hacia las regiones de saturación y corte de los transistores.

Las clases de amplificadores más comúnmente construidas son las que se utilizan como amplificadores de audio, principalmente las clases A, B, AB y C y, para simplificar, son estos tipos de clases de amplificador los que veremos aquí con más detalle.

Amplificador de clase A

Los amplificadores de clase A son el tipo más común de topología de amplificador, ya que utilizan solo un transistor de conmutación de salida (bipolar, FET, IGBT, etc) dentro de su diseño de amplificador. Este transistor de salida única está polarizado alrededor del punto Q dentro de la mitad de su línea de carga y, por lo tanto, nunca se conduce a sus regiones de corte o saturación, lo que le permite conducir corriente durante los 360 grados completos del ciclo de entrada. Entonces, el transistor de salida de una topología de clase A nunca se apaga, lo cual es una de sus principales desventajas.

Los amplificadores de clase “A” se consideran la mejor clase de diseño de amplificador debido principalmente a su excelente linealidad, alta ganancia y bajos niveles de distorsión de señal cuando se diseñan correctamente. Aunque rara vez se usan en aplicaciones de amplificadores de alta potencia debido a consideraciones de suministro de energía térmica, los amplificadores de clase A son probablemente los que mejor suenan de todas las clases de amplificadores mencionadas aquí y, como tales, se usan en diseños de amplificadores de audio de alta fidelidad.

Amplificador de clase A

Para lograr una alta linealidad y ganancia, la etapa de salida de un amplificador de clase A está polarizada en “ON” (conducción) todo el tiempo. Luego, para que un amplificador se clasifique como “Clase A”, la corriente inactiva de señal cero en la etapa de salida debe ser igual o mayor que la corriente de carga máxima (generalmente un altavoz) requerida para producir la señal de salida más grande.

Como un amplificador de clase A opera en la porción lineal de sus curvas características, el dispositivo de salida única conduce a través de 360 ​​grados completos de la forma de onda de salida. Entonces, el amplificador de clase A es equivalente a una fuente de corriente.

Dado que un amplificador de clase A opera en la región lineal, el voltaje de polarización de CC de la base (o puerta) de los transistores debe elegirse correctamente para garantizar un funcionamiento correcto y una baja distorsión. Sin embargo, como el dispositivo de salida está «ENCENDIDO» en todo momento, lleva corriente constantemente, lo que representa una pérdida continua de potencia en el amplificador.

Debido a esta pérdida continua de potencia, los amplificadores de clase A crean enormes cantidades de calor que se suman a su muy baja eficiencia en torno al 30%, lo que los hace poco prácticos para amplificaciones de alta potencia. También debido a la alta corriente de inactividad del amplificador, la fuente de alimentación debe dimensionarse en consecuencia y estar bien filtrada para evitar cualquier zumbido y ruido del amplificador. Por lo tanto, debido a la baja eficiencia y los problemas de sobrecalentamiento de los amplificadores de Clase A, se han desarrollado clases de amplificadores más eficientes.

Amplificador de clase B

Los amplificadores de clase B se inventaron como una solución a los problemas de eficiencia y calentamiento asociados con el amplificador de clase A anterior. El amplificador de clase B básico utiliza dos transistores complementarios bipolares o FET para cada mitad de la forma de onda con su etapa de salida configurada en una disposición de tipo «push-pull», de modo que cada dispositivo de transistor amplifica solo la mitad de la forma de onda de salida.

En el amplificador de clase B, no hay corriente de polarización de base de CC ya que su corriente de reposo es cero, por lo que la potencia de CC es pequeña y, por lo tanto, su eficiencia es mucho mayor que la del amplificador de clase A. Sin embargo, el precio que se paga por la mejora de la eficiencia está en la linealidad del dispositivo de conmutación.

Amplificador de clase B

Cuando la señal de entrada se vuelve positiva, el transistor polarizado positivo conduce mientras que el transistor negativo se apaga. Asimismo, cuando la señal de entrada se vuelve negativa, el transistor positivo se apaga mientras que el transistor polarizado negativo se enciende y conduce la parte negativa de la señal. Por lo tanto, el transistor conduce solo la mitad del tiempo, ya sea en semiciclo positivo o negativo de la señal de entrada.

Luego podemos ver que cada dispositivo de transistor del amplificador de clase B solo conduce a través de la mitad o 180 grados de la forma de onda de salida en estricta alternancia de tiempo, pero como la etapa de salida tiene dispositivos para ambas mitades de la forma de onda de la señal, las dos mitades se combinan juntas para producir la forma de onda de salida lineal completa.

Este diseño de amplificador push-pull es obviamente más eficiente que la Clase A, en aproximadamente un 50%, pero el problema con el diseño del amplificador de clase B es que puede crear distorsión en el punto de cruce por cero de la forma de onda debido a la banda muerta de los transistores. de voltajes base de entrada de -0,7 V a +0,7.

Recordamos del tutorial de Transistor que se necesita un voltaje base-emisor de aproximadamente 0,7 voltios para que un transistor bipolar comience a conducir. Luego, en un amplificador de clase B, el transistor de salida no se «polariza» a un estado de funcionamiento «ENCENDIDO» hasta que se excede este voltaje.

Esto significa que la parte de la forma de onda que cae dentro de esta ventana de 0,7 voltios no se reproducirá con precisión, lo que hace que el amplificador de clase B no sea adecuado para aplicaciones de amplificador de audio de precisión.

Para superar esta distorsión de cruce por cero (también conocida como distorsión de cruce) se desarrollaron amplificadores de clase AB.

Amplificador de clase AB

Como su nombre indica, el amplificador de clase AB es una combinación de los amplificadores de tipo «Clase A» y «Clase B» que hemos visto anteriormente. La clasificación AB de amplificador es actualmente uno de los tipos más comunes de diseño de amplificador de potencia de audio. El amplificador de clase AB es una variación de un amplificador de clase B como se describió anteriormente, excepto que ambos dispositivos pueden conducir al mismo tiempo alrededor del punto de cruce de las formas de onda, lo que elimina los problemas de distorsión de cruce del amplificador de clase B anterior.

Los dos transistores tienen un voltaje de polarización muy pequeño, típicamente del 5 al 10% de la corriente de reposo para polarizar los transistores justo por encima de su punto de corte. Entonces, el dispositivo conductor, ya sea bipolar o FET, estará «ENCENDIDO» durante más de medio ciclo, pero mucho menos de un ciclo completo de la señal de entrada. Por lo tanto, en un diseño de amplificador de clase AB, cada uno de los transistores push-pull está conduciendo un poco más que el medio ciclo de conducción en la clase B, pero mucho menos que el ciclo completo de conducción de la clase A.

En otras palabras, el ángulo de conducción de un amplificador de clase AB está en algún lugar entre 180o y 360o dependiendo del punto de polarización elegido, como se muestra:

Amplificador de clase AB

La ventaja de este pequeño voltaje de polarización, proporcionado por resistencias o diodos en serie, es que se supera la distorsión de cruce creada por las características del amplificador de clase B, sin las ineficiencias del diseño del amplificador de clase A. Por lo tanto, el amplificador de clase AB es un buen compromiso entre la clase A y la clase B en términos de eficiencia y linealidad, con eficiencias de conversión que alcanzan aproximadamente el 50% al 60%.

Amplificador de clase C

El amplificador de clase C detiene la mayor eficiencia, pero la linealidad más pobre de las clases de amplificadores mencionados aquí. Las clases anteriores, A, B y AB se consideran amplificadores lineales, ya que la amplitud y fase de las señales de salida están relacionadas linealmente con la amplitud y fase de las señales de entrada.

Sin embargo, el amplificador de clase C está fuertemente polarizado, de modo que la corriente de salida es cero durante más de la mitad de un ciclo de señal sinusoidal de entrada con el transistor inactivo en su punto de corte. En otras palabras, el ángulo de conducción del transistor es significativamente menor de 180 grados y generalmente está alrededor del área de 90 grados.

Si bien esta forma de polarización de transistores proporciona una eficiencia muy mejorada de alrededor del 80% al amplificador, introduce una distorsión muy fuerte de la señal de salida. Por lo tanto, los amplificadores de clase C no son adecuados para su uso como amplificadores de audio.

Amplificador de clase C

Debido a su fuerte distorsión de audio, los amplificadores de clase C se utilizan comúnmente en osciladores de onda sinusoidal de alta frecuencia y ciertos tipos de amplificadores de radiofrecuencia, donde los pulsos de corriente producidos en la salida de los amplificadores se pueden convertir en ondas sinusoidales completas de un amplificador en particular. frecuencia mediante el uso de circuitos resonantes LC en su circuito colector.

Resumen de clases de amplificador

Luego hemos visto que el punto de funcionamiento de CC en reposo (punto Q) de un amplificador determina la clasificación del amplificador. Al establecer la posición del punto Q en la mitad de la línea de carga de la curva de características del amplificador, el amplificador funcionará como un amplificador de clase A. Moviendo el punto Q más abajo en la línea de carga cambia el amplificador en una clase AB, B o C.

Entonces, la clase de operación del amplificador con respecto a su punto de operación de CC se puede dar como:

Clases de amplificador y eficiencia

Además de los amplificadores de audio, hay una serie de clases de amplificador de alta eficiencia relacionadas con diseños de amplificadores de conmutación que utilizan diferentes técnicas de conmutación para reducir pérdida de potencia y aumento de la eficiencia. Algunos diseños de clases de amplificador que se enumeran a continuación utilizan resonadores RLC o múltiples voltajes de fuente de alimentación para reducir la pérdida de potencia, o son amplificadores digitales de tipo DSP (procesamiento de señal digital) que utilizan técnicas de conmutación de modulación de ancho de pulso (PWM).

Otras clases de amplificador comunes

• Amplificador de clase D: Un amplificador de audio de clase D es básicamente un amplificador de conmutación no lineal o un amplificador PWM. En teoría, los amplificadores de clase D pueden alcanzar el 100% de eficiencia, ya que no hay un período durante un ciclo en el que las formas de onda de voltaje y corriente se superpongan ya que la corriente se extrae solo a través del transistor que está encendido.
• Amplificador de clase F: Los amplificadores de clase F aumentan tanto la eficiencia como la salida mediante el uso de resonadores armónicos en la red de salida para dar forma a la forma de onda de salida en una onda cuadrada. Los amplificadores de clase F son capaces de alcanzar altas eficiencias de más del 90% si se utiliza la sintonización armónica infinita.
• Amplificador de clase G: La clase G ofrece mejoras en el diseño del amplificador de clase AB básico. La clase G utiliza múltiples rieles de suministro de energía de varios voltajes y cambia automáticamente entre estos rieles de suministro a medida que cambia la señal de entrada. Esta conmutación constante reduce el consumo de energía promedio y, por lo tanto, la pérdida de energía causada por el calor desperdiciado.
• Amplificador de clase I: El amplificador de clase I tiene dos conjuntos de dispositivos de conmutación de salida complementarios dispuestos en una configuración push-pull en paralelo con ambos conjuntos de dispositivos de conmutación muestreando la misma forma de onda de entrada. Un dispositivo cambia la mitad positiva de la forma de onda, mientras que el otro cambia la mitad negativa de forma similar a un amplificador de clase B. Sin señal de entrada aplicada, o cuando una señal alcanza el punto de cruce por cero, los dispositivos de conmutación se encienden y apagan simultáneamente con un ciclo de trabajo PWM del 50% que cancela cualquier señal de alta frecuencia.
  Para producir la mitad positiva de la señal de salida, la salida del dispositivo de conmutación positivo aumenta en el ciclo de trabajo mientras que el dispositivo de conmutación negativo se reduce en el mismo y viceversa. Se dice que las dos corrientes de señal de conmutación están entrelazadas en la salida, lo que le da al amplificador de clase I el nombre de: “amplificador PWM entrelazado” que opera a frecuencias de conmutación superiores a 250 kHz.
• Amplificador de clase S: ​​Un amplificador de potencia de clase S es un amplificador de modo de conmutación no lineal similar en funcionamiento al amplificador de clase D. El amplificador de clase S convierte las señales de entrada analógicas en pulsos de onda cuadrada digitales mediante un modulador delta-sigma y las amplifica para aumentar la potencia de salida antes de ser finalmente demoduladas por un filtro de paso de banda. Dado que la señal digital de este amplificador de conmutación siempre está completamente «ENCENDIDA» o «APAGADA» (disipación de potencia teóricamente nula), es posible lograr eficiencias que alcancen el 100%.
• Amplificador de clase T: El amplificador de clase T es otro tipo de diseño de amplificador de conmutación digital. Los amplificadores de clase T están comenzando a volverse más populares en estos días como un diseño de amplificador de audio debido a la existencia de chips de procesamiento de señal digital (DSP) y amplificadores de sonido envolvente multicanal, ya que convierte señales analógicas en señales digitales moduladas por ancho de pulso (PWM) para amplificación aumentando la eficiencia de los amplificadores. Los diseños de amplificadores de clase T combinan los niveles de señal de baja distorsión del amplificador de clase AB y la eficiencia energética de un amplificador de clase D.

Hemos visto aquí una serie de clasificaciones de amplificadores que van desde amplificadores de potencia lineales hasta amplificadores de conmutación no lineales, y hemos visto cómo una clase de amplificador difiere a lo largo de la línea de carga de los amplificadores. Los amplificadores de clase AB, B y C se pueden definir en términos del ángulo de conducción, θ de la siguiente manera:

Clase de amplificador por ángulo de conducción

Clase de amplificador	Descripción	Ángulo de conducción
Clase A	Ciclo completo 360o de conducción	θ = 2π
Clase B	Medio ciclo 180o de conducción	θ = π
Clase-AB	Algo más de 180o de conducción	π <θ <2π
Clase-C	Algo menos de 180o de conducción	θ <π
Clase-D a T	Conmutación no lineal ON-OFF	θ = 0