Electrónica Aplicada III · 120 h · Contenido 6 de 10

Amplificadores de potencia de RF

Achicar el ángulo de conducción a 90° sube el rendimiento de un amplificador de RF al 94 %, pero le quita 2 dB de potencia y toda la linealidad de amplitud.

Rendimiento Ángulo de conducción Clase C Clase E Predistorsión

01Potencia, rendimiento y linealidad

El amplificador de potencia es la etapa que más consume en un transmisor, y lo que no entrega a la antena lo convierte en calor. Tres cifras lo describen: la potencia de salida, el rendimiento de drenador (o de colector), \( \eta = P_{out}/P_{DC} \), y la linealidad, que decide si puede amplificar una señal con envolvente variable sin distorsionarla. Las mismas ideas de los amplificadores de baja frecuencia se aplican aquí, con una ventaja: la carga es un circuito resonante, que deja pasar solo la fundamental aunque la corriente del transistor sea muy distorsionada.

02Clases A, AB, B y C: el ángulo de conducción

En las clases lineales el transistor funciona como fuente de corriente, y las clases se distinguen por el ángulo de conducción α, la parte del ciclo en que conduce: 360° en clase A, 180° en clase B, entre ambos en AB y menos de 180° en C. La corriente es un tramo de senoidal, y el circuito resonante toma su fundamental. Con la misma corriente máxima y la tensión de salida llevada hasta la fuente:

\[ \eta = \frac{\alpha - \sin\alpha}{2\big(2\sin(\alpha/2) - \alpha\cos(\alpha/2)\big)} \] Da 50 % en clase A, 78,5 % en clase B y tiende a 100 % en clase C con ángulos muy chicos. Pero la corriente fundamental, y con ella la potencia, cae con el ángulo: con 90° el rendimiento es del 94 % y la potencia 2 dB menor que en clase A, y con ángulos más chicos hace falta cada vez más excitación.

Laboratorio · el ángulo de conducción

Un amplificador con carga resonante y corriente máxima fija. Arriba, la corriente del transistor en un ciclo y su fundamental; abajo, el rendimiento (azul) y la potencia relativa a clase A (verde) en función del ángulo.

Ángulo de conducción α =

03Clases conmutadas: D, E y F

Si el transistor trabaja como llave, en teoría no disipa: cuando conduce no hay tensión, y cuando hay tensión no conduce. La clase D usa dos transistores que conmutan una onda cuadrada sobre un filtro. La clase E, de Sokal, usa un solo transistor con una red de carga que hace que la tensión llegue a cero justo cuando se cierra la llave, eliminando la pérdida por conmutación con la capacidad de salida. La clase F controla las armónicas de la tensión para cuadrarla. Los rendimientos prácticos superan el 80 %, pero estas clases no son lineales en amplitud: sirven para FM, FSK y otras modulaciones de envolvente constante, o con técnicas que separan la envolvente, como el seguimiento de envolvente y el amplificador de Doherty.

04Linealidad y reducción de potencia

Las modulaciones de telefonía y Wi-Fi tienen envolvente variable y una relación entre potencia de pico y media de varios decibeles, como se vio en envolvente compleja. Para no recortar los picos, el amplificador trabaja con la potencia media varios dB por debajo de la compresión, y en clase AB el rendimiento cae con la amplitud. La unidad de transmisores cuantifica ese costo. La distorsión que queda se corrige con predistorsión digital: el procesador aplica a la señal la alinealidad inversa a la del amplificador.

05En el laboratorio

Actividad 1 · Clase C

Armar un amplificador clase C de pocos watts en la banda de HF con un MOSFET, medir la corriente de fuente y la potencia en una carga de 50 Ω, y calcular el rendimiento para varias polarizaciones.

Actividad 2 · Armónicas

Medir las armónicas a la salida con y sin el filtro pasabajos, y compararlas con los límites de emisiones espurias.

Actividad 3 · Compresión

Barrer la potencia de entrada de un amplificador clase AB y medir el punto de compresión y el rendimiento en función de la potencia de salida.

06Errores frecuentes

Usar clase C con modulaciones de envolvente variable. Destruye la información de amplitud.
Olvidar el filtro de armónicas. Una clase C o D emite armónicas fuertes que invaden otras bandas.
Medir el rendimiento solo a plena potencia. En operación real el amplificador trabaja reducido y rinde mucho menos.
Desadaptar la carga sin protección. Con la antena desconectada, la onda reflejada puede destruir el transistor.

07Autoevaluación

¿Qué rendimiento teórico tiene un amplificador con ángulo de conducción de 180°?

78,5 %: es clase B.

¿Cuánto disipa un amplificador de 100 W con 60 % de rendimiento?

\( 100/0{,}6 - 100 \approx 67 \) W.

¿Por qué la clase E puede tener rendimiento alto aun a frecuencias altas?

Porque la red de carga lleva la tensión a cero antes de cerrar la llave, y no se pierde la energía de la capacidad de salida.

¿Qué modulaciones admiten amplificadores no lineales?

Las de envolvente constante, como FM y FSK.

08Para ampliar

Steve C. Cripps. RF Power Amplifiers for Wireless Communications. 2.ª ed., Artech House, 2006. El análisis del ángulo de conducción y las clases de alto rendimiento.
Herbert L. Krauss, Charles W. Bostian y Frederick H. Raab. Solid State Radio Engineering. Wiley, 1980. Un clásico sobre amplificadores de potencia de estado sólido.
Nathan O. Sokal y Alan D. Sokal. Class E: A New Class of High-Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 10(3), 1975. El artículo original de la clase E.

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