Clases de amplificador y la clasificación de amplificadores

Clases de amplificador


Los amplificadores se clasifican en clases de acuerdo con su construcción y características de operación

No todos los amplificadores son iguales y existe una clara distinción entre la forma en que sus etapas de salida están configuradas y funcionan. 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 hay una compensación entre estas características diferentes.


En general, los amplificadores de señal o de potencia grandes se utilizan en las etapas de salida de los sistemas de amplificación de audio para controlar la carga de un altavoz. Un altavoz típico tiene una impedancia de entre 4Ω y 8Ω, por lo tanto, un amplificador de potencia debe ser capaz de suministrar las altas corrientes pico requeridas para conducir el altavoz de baja impedancia.

Un método utilizado para distinguir las características eléctricas de 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. Luego, las clases de amplificador es el término utilizado para diferenciar entre los diferentes tipos de amplificadores.

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

Las clases de amplificador se agrupan principalmente en dos grupos básicos. Los primeros son los amplificadores de ángulo de conducción controlados clásicamente que forman las clases de amplificadores 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 de transistor de la etapa de salida en algún lugar entre estar "completamente encendido" y "completamente apagado".

El segundo conjunto de amplificadores son las nuevas clases de amplificadores denominadas de "conmutación" de D, E, F, G, S, T , etc., que usan circuitos digitales y modulación de ancho de pulso (PWM) para cambiar constantemente la señal entre "completo- ENCENDIDO "y" totalmente apagado ", impulsando la salida con fuerza en las regiones de saturación y corte de los transistores.

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

Amplificador clase A


Los amplificadores de clase A son el tipo más común de clase de amplificador debido principalmente a su diseño simple. La clase A, literalmente significa "la mejor clase" de amplificador debido principalmente a sus bajos niveles de distorsión de señal y es probablemente el mejor sonido de todas las clases de amplificadores mencionadas aquí. El amplificador de clase A tiene la linealidad más alta sobre las otras clases de amplificadores y, como tal, opera en la porción lineal de la curva de características.

Generalmente, los amplificadores de clase A usan el mismo transistor único (bipolar, FET, IGBT, etc.) conectado en una configuración de emisor común para ambas mitades de la forma de onda y el transistor siempre tiene corriente que fluye a través de él, incluso si no tiene señal base. Esto significa que la etapa de salida, ya sea que utilice un dispositivo Bipolar, MOSFET o IGBT, nunca se conduce completamente a sus regiones de corte o saturación sino que tiene un punto Q de polarización de base en el medio de su línea de carga. Entonces el transistor nunca se apaga, que es uno de sus principales inconvenientes.

Amplificador clase A


Para lograr alta linealidad y ganancia, la etapa de salida de un amplificador de clase A está polarizada "ON" (conducción) todo el tiempo. Luego, para que un amplificador se clasifique como "Clase A", la corriente inactiva de la 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 individual 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.

Como un amplificador de clase A opera en la región lineal, la tensión de polarización de CC de la base de transistores (o compuerta) debe elegirse adecuadamente 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 una enorme cantidad de calor que se suma a su muy baja eficiencia, en torno al 30%, lo que los hace poco prácticos para amplificaciones de alta potencia. Además, debido a la alta corriente de ralentí del amplificador, la fuente de alimentación debe tener el tamaño adecuado 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 básico de clase B utiliza dos transistores complementarios bipolares de FET para cada mitad de la forma de onda con su etapa de salida configurada en una disposición tipo "push-pull", de modo que cada dispositivo 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, de modo que la potencia de CC es pequeña y, por lo tanto, su eficacia es mucho mayor que la del amplificador de clase A. Sin embargo, el precio pagado por la mejora en la eficiencia está en la linealidad del dispositivo de conmutación.

Amplificador de clase B


Cuando la señal de entrada es positiva, el transistor polarizado positivo se conduce mientras el transistor negativo está en "OFF". Del mismo modo, cuando la señal de entrada se vuelve negativa, el transistor positivo se "apaga" mientras que el transistor polarizado negativo se pone en "ON" y conduce la parte negativa de la señal. Por lo tanto, el transistor conduce solo la mitad del tiempo, ya sea en el medio ciclo positivo o negativo de la señal de entrada.

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

Este diseño push-pull de amplificador es obviamente más eficiente que la Clase A, en aproximadamente 50%, pero el problema con el diseño de amplificador de clase B es que puede crear distorsión en el punto de cruce cero de la forma de onda debido a la banda muerta de transistores de voltajes base de entrada de -0.7V a +0.7.

Recordamos del tutorial sobre transistores que se necesita una tensión base-emisor de aproximadamente 0,7 voltios para que un transistor bipolar comience a funcionar. Luego, en un amplificador clase B, el transistor de salida no está "polarizado" a un estado de operación "ON" hasta que se exceda 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 Crossover Distortion), se desarrollaron amplificadores de clase AB.

Amplificador clase AB

Como su nombre lo sugiere, el Amplificador Clase AB es una combinación de los amplificadores tipo "Clase A" y "Clase B" que hemos examinado anteriormente. La clasificación AB de amplificador es actualmente uno de los tipos de diseño de amplificador de potencia de audio más utilizados. 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 formas de onda eliminando los problemas de distorsión cruzada 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. Luego, el dispositivo de conducción, ya sea bipolar de FET, estará "ENCENDIDO" durante más de medio ciclo, pero mucho menos que 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 durante 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 clase AB está entre 180 o y 360 o dependiendo del punto de polarización elegido como se muestra.

Amplificador clase AB


La ventaja de este pequeño voltaje de polarización, proporcionado por diodos o resistencias 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. Entonces, el amplificador 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 entre 50% y 60%.

Amplificador clase C


El diseño del amplificador clase C tiene 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 las señales de salida de amplitud y fase están linealmente relacionadas con las señales de entrada de amplitud y fase.

Sin embargo, el amplificador clase C está muy 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 en ralentí en su punto de corte. En otras palabras, el ángulo de conducción para el transistor es significativamente menor que 180 grados, y generalmente está alrededor del área de 90 grados.

Si bien esta forma de polarización del transistor brinda una eficiencia mucho mayor 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 usar como amplificadores de audio.

Amplificador clase C



Debido a su fuerte distorsión de audio, los amplificadores de clase C se usan comúnmente en osciladores de onda sinusoidal de alta frecuencia y ciertos tipos de amplificadores de frecuencia de radio, donde los pulsos de corriente producidos en la salida de los amplificadores pueden convertirse en ondas sinusoidales completas de una frecuencia particular por 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 a la mitad en la línea de carga de la curva de características de los amplificadores, 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 amplificador.

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

Clases de Amplificadores y Eficiencia



Además de los amplificadores de audio, existen varias clases de amplificadores de alta eficiencia relacionadas con diseños de amplificadores de conmutación que utilizan diferentes técnicas de conmutación para reducir la pérdida de potencia y aumentar la eficiencia. Algunos diseños de clase de amplificador enumerados a continuación usan resonadores RLC o múltiples voltajes de fuente de alimentación para reducir la pérdida de potencia, o son amplificadores digitales DSP (procesamiento de señal digital) que utilizan técnicas de conmutación de modulación de ancho de pulso (PWM).

Otras clases de amplificadores comunes



  • Amplificador de clase D: un amplificador de audio de clase D es básicamente un amplificador de conmutación no lineal o un amplificador PWM. Los amplificadores de clase D teóricamente pueden alcanzar el 100% de eficiencia, ya que no hay período durante un ciclo donde las formas de onda de voltaje y corriente se superponen ya que la corriente se dibuja solo a través del transistor que está encendido.
  • Amplificador de clase F: los amplificadores de clase F aumentan la eficiencia y la salida mediante el uso de resonadores armónicos en la red de salida para dar forma a la onda de salida en una onda cuadrada. Los amplificadores de clase F son capaces de lograr altas eficiencias de más del 90% si se utiliza la sintonía infinita de armónicos.
  • Amplificador clase G: la clase G ofrece mejoras al diseño del amplificador AB de clase básica. La Clase G usa varios 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 potencia 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 paralela push-pull con ambos conjuntos de dispositivos de conmutación que muestrean la misma forma de onda de entrada. Un dispositivo cambia la mitad positiva de la forma de onda, mientras que el otro conmuta la mitad negativa 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 se apagan simultáneamente con un 50% de ciclo de trabajo PWM cancelando cualquier señal de alta frecuencia.
  • Para producir la mitad positiva de la señal de salida, la salida del dispositivo de conmutación positivo se incrementa en el ciclo de trabajo mientras que el dispositivo de conmutación negativo se reduce de la misma manera y viceversa. Se dice que las dos corrientes de señal de conmutación están intercaladas en la salida, dando al amplificador de clase I el nombre de: "amplificador PWM intercalado" que funciona 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 de funcionamiento similar al amplificador de clase D. El amplificador de clase S convierte las señales de entrada analógicas en impulsos de onda cuadrada digital 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. Como la señal digital de este amplificador de conmutación siempre está completamente "ENCENDIDA" o "DESACTIVADA" (disipación de potencia teóricamente nula), es posible alcanzar eficiencias que alcanzan 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 empezando a ser más populares actualmente 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 a medida que convierte señales analógicas en señales digitales moduladas por ancho de pulso (PWM). 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 de potencia 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




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