Amplificador

Apuntes SEC. UIB

7. Amplificadores RF de potencia
7.1 Introducción El amplificador de potencia (PA) es la última etapa del emisor. Tiene la misión de amplificar la potencia de la señal (no necesariamente la tensión) y transmitirla a la antena con la máxima eficiencia. En eso se parecen a los amplificadores de baja frecuencia, pero aquí la distorsión o falta de linealidad puede no serimportante. A continuación se mencionan algunas características de un PA para equipos de comunicaciones móviles y sus valores típicos Potencia de salida, so +20 a +30 dBm Eficiencia, η 30% a 60% Ganancia, GP 20 a 30 dB Distorsión, IMR –30 dB (*) Control de potencia ON – OFF (*) Para cada armónico se define IMR = so(armónico)/so(útil) cuando la entrada es la suma de dos tonos con el mismo nivel, aquel quehace so(útil) = so, max – 6 dB Clasificación de los amplificadores de potencia Los amplificadores de potencia tradicionales emplean dispositivos activos (BJT o MOSFET) que se comportan como fuentes de corriente controladas por tensión. Estos se clasifican atendiendo a la fracción del periodo de la señal en que los dispositivos permanecen en conducción. Si la entrada es una función sinusoidal, suargumento se incrementa 360º a cada periodo de señal. La fracción del periodo en que los dispositivos conducen se mide por el semiángulo de conducción, θ, que está comprendido entre 0 y 180º. Se definen tres clases: Clase A θ = 180º (conducen siempre) Clase B θ = 90º (conducen medio periodo) Clase C θ < 90º (conducen menos de medio periodo) Cuanto menor es θ mayor es la eficiencia pero menor es lalinealidad. Existe otro tipo de amplificadores de potencia donde los dispositivos funcionan en conmutación. Actúan como interruptores que pasan alternativamente de corte a conducción. La eficiencia es teóricamente del 100% puesto que un interruptor ideal no consume potencia en ninguno de los dos estados: en corte i = 0 y en conducción v = 0. En la práctica la eficiencia se reduce porque haypérdidas de potencia durante el transitorio de conmutación. Por eso se han ideado diferentes esquemas que minimizan estas pérdidas. Estos amplificadores reciben distintos nombres (clase D, E, F,…) a partir del momento en que se les reconoce su innovación respecto a los existentes.

7.2 Clase A En este tipo de amplificador el elemento activo está siempre en zona activa si es un BJT, o en saturación sise trata de un MOSFET. De todos es el que produce menos distorsión, pero también el que tiene menor rendimiento. Su esquema es similar al de un amplificador de pequeña señal. De las configuraciones básicas se elige la EC (SC si es con MOSFET) porque tiene mayor ganancia en potencia. El circuito con BJT se muestra en

7.1

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la figura 7.1. La única diferencia respecto al ECbásico es que se ha sustituido la resistencia de colector por una inductancia de gran valor para mejorar el rendimiento. VCC L∞ C∞ C∞ vi RL RB VBB (a) vi + vo – RB rπ + v gmv – RL + vo –

(b)

Fig. 7.1 (a) Esquema de un amplificador clase A con BJT. (b) Circuito equivalente en pequeña señal En RF los valores de RL están normalizados para una aplicación determinada, los más frecuentes son 50, 75 y300 Ω, aunque en frecuencias altas se usa generalmente 50 Ω. Cuando se trata de amplificar señales de RF de banda estrecha se suele poner en paralelo con RL un circuito LC sintonizado, pero en el clase A no es imprescindible. En reposo la tensión sobre la inductancia es nula por lo que VCEQ = VCC. Pero la inductancia mantiene una corriente constante ICQ, es decir que para c.a. se comporta como uncircuito abierto. La corriente y la tensión en el transistor se muestran en la figura 7.2 para una tensión de entrada sinusoidal. iC ICQ ωot vCE VCC ωot Fig. 7.2 Tensiones de entrada y salida en el amplificador clase A. Los márgenes de variación de vo, aproximando VCE,sat = 0, son (saturación) (reposo) (corte) –VCC ← 0 → ICQRL La amplitud máxima de vo, Vp, que se puede lograr es VCC y para...