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Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
“2020, Año de Leona Vicario, Benemérita Madre de la Patria”
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE
LÁZARO CÁRDENAS
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
NOMBRE:
INVESTIGACION DOCUMENTADA DE LA UNIDAD 5
NOMBRES DE LOS ALUMNOS:
EQUIPO
CORONA ORTEGA LUIS FERNANDO
DELGADO CASTAÑEDA JARETH JAVIER
GONZALEZ LEYVA EDUARDO
LIZALDE MAGAÑA MELIDA MARGARITA
MORENO PEÑALOZA EDGAR DANIEL
CARRERA:
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
INSTRUCTOR:
ING. LUIS ALBERTO GARCIA ZARCO
Cd. Lázaro Cárdenas, Mich. A 08 de Junio del 2021.
- Introducción Índice
- 5.1 Conceptos Basicos y Aplicación
- 5.2 Análisis De Expresiones De Potencia y Eficiencia
- 5 .3 Análisis de Efecto Térmico y Distorsión
- 5.4 Análisis y Diseño de Amplificadores de Potencia....................................
- 5.5 Efectos de Ruido
- Conclusión
- Bibliografía
5 .1 Conceptos Basicos y Aplicación
Clase A: La señal de salida varía a lo largo de los 360° del ciclo. La figura 5.1a muestra que
esto requiere que el punto Q se polarice a un nivel de modo que cuando menos la mitad de la
excursión de la señal de salida pueda variar hacia arriba y hacia abajo sin que llegue a ser un
voltaje suficientemente alto como para ser limitado por el nivel de alimentación de voltaje, o
demasiado bajo como para que se aproxime al nivel de alimentación bajo, o 0 V en esta
descripción.
Clase B: Un circuito clase B proporciona una señal que varía durante la mitad del ciclo de la
señal de entrada, o durante 180° de la señal, como se muestra en la figura 5.1b. El punto de
polarización de cd de la clase B es por consiguiente de 0 V, con la salida que varía entonces
a partir de este punto de polarización durante medio ciclo. Obviamente, la salida no es una
reproducción fiel de la entrada si sólo hay un semiciclo.
Se requieren dos operaciones de clase B: una para que proporcione una salida en el semiciclo
de salida positiva y la otra para que haya operación en el semiciclo de salida negativa.
Entonces, los semiciclos combinados proporcionan salida durante los 360° de operación. Este
tipo de conexión se conoce como operación equilibrada (push-pull), la cual analizaremos más
adelante en este capítulo. Observe que la operación B por sí misma crea un señal de salida
muy distorsionada, puesto que la reproducción de la entrada ocurre durante sólo 180° de la
excursión de la señal de salida.
Clase AB: Un amplificador se puede polarizar a un nivel de cd sobre el nivel de corriente de
base cero de la clase B y por sobre la mitad del nivel de voltaje de alimentación de la clase
A; esta condición de polarización es la clase AB.
No obstante, la operación clase AB requiere una conexión push-pull para lograr un ciclo
completo de salida, pero el nivel de polarización de cd suele estar más cerca del nivel de
corriente de base cero para una mejor eficiencia de la potencia, como se describirá en breve.
Para la operación clase AB, la excursión de la señal de salida ocurre entre 180° y 360° y no
es ni operación clase A ni operación clase B.
Clase C: La salida de un amplificador clase C se polariza para que opere a menos de 180° del
ciclo y funcionará sólo con un circuito sintonizado (resonante), el cual proporciona un ciclo
completo de operación a la frecuencia sintonizada o resonante. Por consiguiente, esta clase
de operación se utiliza en áreas especiales de circuitos sintonizados, como radio o
comunicaciones.
Clase D: Esta clase de operación es una forma de un amplificador que utiliza señales de
pulsos (digitales), las cuales se activan durante un intervalo corto y se desactivan durante un
intervalo más largo. La aplicación de técnicas digitales permite obtener una señal que varíe
durante el ciclo completo (mediante circuitos de muestreo y retención) para recrear la salida
de muchas piezas de la señal de entrada. La ventaja principal de la operación clase D es que
el amplificador se “activa” (utilizando potencia) sólo durante intervalos cortos y la eficiencia
total puede ser prácticamente muy alta, como se describe a continuación.
Fig. 5.1 Clases de operación de amplificador
Amplificador clase A alimentado en serie
Operación con polarización de C.D.
La polarización de cd establecida por VCC y RB fija la corriente de polarización de base de
cd en
𝐼
𝐵
=
𝑉𝐶𝐶 − 0. 7 𝑉
𝑅𝐵
de modo que la corriente del colector es
𝐼
𝐶
= 𝛽𝐼
𝐵
y el voltaje de colector a emisor es
𝑉
𝐶𝐸
= 𝑉
𝐶𝐶
− 𝐼
𝐶
𝑅
𝐶
Fig. 5.2 Amplificador de señal grande clase A alimentado en serie
Para apreciar la importancia de la polarización de cd en la operación del amplificador de
potencia, considere la característica de colector mostrada en la figura 5.3. Se traza una recta
de carga de cd con los valores de VCC y RC. La intersección del valor de polarización de cd
de IB con la recta de carga de cd determina entonces el punto de operación (punto Q) para el
circuito. Los valores de punto quiescente son los calculados con las ecuaciones (5.1) a (5.3).
Si la corriente de colector de polarización de cd se establece a la mitad de la posible excursión
de la señal (entre 0 y Vcc/Rc), se podrá dar la máxima excursión de la corriente de colector.
Además, si el voltaje quiescente de colector a emisor se establece a la mitad del voltaje de
alimentación, será posible la mayor excursión del voltaje. Con el punto Q establecido en este
punto de polarización óptima, las consideraciones de potencia para el circuito de la figura 5.
se determinan como se describe a continuación.
Fig. 5.3 Característica de transistor que muestra la recta de carga y el punto Q.
Operación en C.A.
Cuando se aplica una señal de entrada de ca al amplificador de la figura 5.2, la salida variará
a partir de su voltaje y corriente de operación de polarización de cd. Una señal de entrada
pequeña como la de la figura 5.4 hará que la corriente de base varíe por arriba y por debajo
del punto de polarización de cd, la cual hará entonces que la corriente de colector (salida)
varíe a partir del punto de polarización de cd establecido, así como también que el voltaje de
colector a emisor varíe en torno a su valor de polarización de cd.
A medida que la señal de entrada se haga más grande, la salida variará aún más en torno al
punto de polarización de cd establecido hasta que la corriente o el voltaje alcance una
condición limitante. Para la corriente, esta condición limitante es o una corriente cero en el
extremo bajo, o en el extremo alto de su excursión. Para el voltaje de colector a emisor, el
límite es o bien 0 V o el voltaje de alimentación, VCC
La potencia de ca entregada a la carga se puede expresar como sigue
𝑃𝑜(𝑐𝑎) = 𝑉
𝐶𝐸
(𝑟𝑚𝑠)𝐼
𝐶
(𝑟𝑚𝑠) ( 5. 5 )
𝑃𝑜(𝑐𝑎) = 𝐼
𝐶
2
(𝑟𝑚𝑠)𝑅
𝐶
( 5. 6 )
𝑃𝑜(𝑐𝑎) =
𝑉
𝐶
2
( 𝑟𝑚𝑠
)
𝑅𝐶
( 5. 7 )
Eficiencia
La eficiencia de un amplificador representa la cantidad de potencia de ca suministrada
(transferida) desde la fuente de cd. La eficiencia del amplificador se calcula con
% 𝜂 =
𝑃𝑜
( 𝑐𝑎
)
𝑃𝑖(𝑐𝑑)
𝑥 100% ( 5. 8 )
Eficiencia máxima Para el amplificador clase A alimentado en serie, la eficiencia máxima se
determina con las oscilaciones de voltaje y corriente máximas. Para la excursión de voltaje
es
𝑉
𝐶𝐸
(𝑝 − 𝑝)𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = 𝑉
𝐶𝐶
Para la excursión de corriente es
𝐼
𝐶
( 𝑝 − 𝑝
) 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 =
𝑉
𝐶𝐶
𝑅
𝐶
Con la excursión de voltaje máxima en la ecuación (5.7) obtenemos
𝑃𝑜(𝑐𝑎)𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 =
𝑉
𝐶𝐶
(𝑉
𝐶𝐶
𝑅
𝐶
)
8
=
V
CC
2
8 R
C
Calculamos la entrada de potencia máxima con la corriente de polarización de cd establecida
a la mitad del valor máximo:
𝑃 𝑖
𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎(𝑐𝑑) = 𝑉
𝐶𝐶
(𝐼
𝐶
𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎) = 𝑉
𝐶𝐶
𝑉
𝐶𝐶
/𝑅
𝐶
2
=
𝑉
𝐶𝐶
2
2 𝑅
𝐶
Podemos utilizar entonces la ecuación (5.8) para calcular la eficiencia máxima:
% 𝑑𝑒 𝜂 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 =
𝑃𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎
( 𝑐𝑎
)
𝑃𝑖𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎(𝑐𝑑)
𝑥 100%
=
V
CC
2
/ 8 R
C
V
CC
2
/ 2 R
C
= 25%
La eficiencia máxima de un amplificador clase A alimentado en serie es por tanto de 25%.
Como esta eficiencia máxima ocurrirá sólo en condiciones ideales tanto de excursión de
voltaje como de excursión de corriente, la mayoría de los circuitos alimentados en serie
proporcionarán potencias de mucho menos que 25%.
Características de la distorsión lineal.
Ganancia de inserción, que es la diferencia de amplitud entre la entrada y la salida del
sistema.
Respuesta de frecuencias, cómo responde el sistema a diferentes frecuencias.
Respuesta transitoria con señales largas (>64 μS), que nos da idea del
comportamiento del sistema a baja frecuencia.
Respuesta transitoria a señales cortas o impulsivas, nos da idea de la respuesta del
sistema a altas frecuencias.
Diferencia de ganancia crominancia luminancia.
Distorsión no lineal.
La distorsión no lineal es aquella que genera componentes de frecuencias nuevas que no
existían en la señal original. Sabemos que el origen de la distorsión radica en la utilización
de dispositivos no lineales. Las técnicas de análisis comunes, como el modelado de pequeña
señal, son ineficaces a la hora de caracterizar la distorsión introducida por un dispositivo,
debido a que implican una linealización de su función característica.
La mayoría de los sistemas reales poseen grados de saturación, es decir, pierden su relación
lineal de entrada-salida. Si dicha relación se pierde se tiene una salida del sistema como la
que se muestra en la siguiente ecuación a continuación:
𝟎
𝟏
𝐢
𝟐
𝐢
𝟐
Produciendo que en el dominio del tiempo la señal de entrada se multiplique por ella misma,
esto genera que en el dominio de la frecuencia existan convoluciones de los espectros de la
señal de entrada, de ahí se introduce el segundo tipo de distorsión que se define como
distorsión no lineal. La distorsión no lineal se produce cuando en la señal del sistema
aparecen componentes de frecuencia que no existían en la señal de entrada.Esta característica
de la distorsión no lineal se puede observar en la siguiente figura:
Fig. Sistema sin distorsión vs sistema con distorsión no lineal
Donde es posible observar que este tipo de distorsión produce que aparezcan armónicos o
subarmónicos nuevos a partir de la señal de entrada. Si se aplica, por ejemplo, un tono de
prueba como señal de entrada en un sistema no lineal se generan nuevas componentes lo que
conlleva a la distorsión no lineal
Características de la distorsión no lineal.
Alinealidad luminancia crominancia.
Fase diferencial, modificación de la fase de la crominancia respecto a la amplitud de
la luminancia.
Ganancia diferencial, modificación de la amplitud de la crominancia debida a la
amplitud de la luminancia.
Resulta que las ondas de corriente y de voltaje en la carga vienen dadas por
𝑑
𝑃
𝑑𝑠
𝑃
𝑃
Donde 𝐼
𝑃
y 𝑉
𝑃
son las correspondientes amplitudes de las ondas. Si se definen los valores
máximos de los anteriores valores como
La potencia de salida 𝑃 𝑅𝐹
queda como:
De las expresiones anteriores se puede ver que la máxima potencia de salida se produce
cuando φ=0. De esta forma, dado que la potencia de continua también permanece constante,
la eficiencia también será máxima cuando φ=0. Por lo tanto, una primera aproximación
consistirá en la utilización de una carga real para ZL. Si la carga fuera reactiva se produciría
una modificación de la recta de carga y se transformaría en una elipse como muestra la
siguiente figura.
De acuerdo con los razonamientos anteriores se puede llegar a las siguientes expresiones de
resistencia, potencia de continua, de RF y rendimiento:
Se puede ver que el valor del voltaje de codo es importante en la estimación de la eficiencia
y que una carga puramente resistiva se ha utilizado para el armónico fundamental y todos sus
múltiplos.
El segundo de los puntos presentados en la sección anterior requiere la reducción de los
niveles de potencia a las frecuencias de los armónicos superiores. Hasta ahora los valores de
las cargas consideradas han sido puramente resisitivas. Si se hace uso de algunas estrategias
que implique la anulación de la potencia de salida en los armónicos superiores se puede
mejorar la eficiencia del amplificador correspondiente. El proceso propuesto consiste en
cargar con terminaciones en cortocircuito (trampas, “idlers”) a las frecuencias armónicas
correspondientes. Esta estrategia de carga permitirá maximizar en la frecuencia fundamental
los valores de voltaje y corriente.
5.5 Efectos de Ruido
El ruido se puede abordar desde dos puntos de vista:
Mediante métodos que tratan de reducir el ruido en sus fuentes y en su propagación, como
son las técnicas de cableado, blindaje, o diseño de dispositivos de bajo ruido. Estas técnicas
son las más óptimas ya que no degradan las prestaciones del sistema, aunque su aplicación
no siempre es eficaz o posible.
Mediante métodos de filtrado y promediado de la señal, para amortiguar el nivel de ruido
frente a la señal que se procesa. Estas técnicas suelen ser de aplicación más general y efectiva,
pero suelen reducir las prestaciones (por ejemplo, anchura de banda) del sistema.
Espectro frecuencial del ruido: La potencia de ruido se distribuye por todo el espectro de
frecuencia. Por ello, cuando se hace referencia al valor rms del ruido, es necesario indicar el
rango de frecuencias sobre el que se hace la medida. En el caso de ruido blanco, la anchura
de banda es por definición infinita, lo que implica que cuando se aplica a una resistencia, la
potencia del ruido que resulta es infinita (en la práctica la anchura de banda limitada del
circuito, acota la potencia, y no da lugar a una liberación infinita de energía). En cualquier
caso, la medida del ruido es función de la anchura de banda con la que se mide. Las diferentes
medidas del ruido, deben estar referidas a una anchura de banda
Ruido blanco: Es aquel que posee una densidad espectral de tensión de ruido o de intensidad
de ruido constante.
𝑛
𝑛𝑤
𝑛
𝑛𝑤
Para el ruido blanco, el valor rms es proporcional a la raíz cuadrada de la anchura de banda,
En consecuencia, la potencia rms varia de forma proporcional a la anchura de banda,
Ruido rosa o ruido 1/f: Es aquel que posee una densidad espectral de potencia de ruido que
es inversamente proporcional a la frecuencia,
Para el ruido blanco, el valor rms es,
En consecuencia, la potencia rms varia de forma proporcional al logaritmo de la razón de las
frecuencias extremas de la banda de frecuenci,
Esto significa 1que la potencia por octava o por década de frecuencia es constante.
