Un amplificador de RF de válvulas ( Reino Unido y Australia ) o amplificador de tubo ( EE. UU .) es un dispositivo para amplificar eléctricamente la potencia de una señal de radiofrecuencia eléctrica.
Los amplificadores de válvulas de potencia baja a media para frecuencias inferiores a las microondas fueron reemplazados en gran medida por amplificadores de estado sólido durante los años 1960 y 1970, inicialmente para receptores y etapas de baja potencia de transmisores, y las etapas de salida de transmisores pasaron a ser transistores algo más tarde. Las válvulas especialmente construidas todavía se utilizan para transmisores de potencia muy alta, aunque rara vez en diseños nuevos. [1] [ cita requerida ]
Las válvulas son dispositivos de alto voltaje y baja corriente en comparación con los transistores . Las válvulas de tetrodo y pentodo tienen una corriente de ánodo muy plana en comparación con el voltaje del ánodo, lo que indica impedancias de salida de ánodo altas . Los triodos muestran una relación más fuerte entre el voltaje del ánodo y la corriente del ánodo.
El alto voltaje de trabajo los hace muy adecuados para transmisores de radio y las válvulas siguen utilizándose hoy en día para transmisores de radio de onda corta de muy alta potencia, donde las técnicas de estado sólido requerirían muchos dispositivos en paralelo y corrientes de alimentación de CC muy altas . Los transmisores de estado sólido de alta potencia también requieren una combinación compleja de transformadores y redes de sintonización, mientras que un transmisor basado en válvulas utilizaría una única red sintonizada relativamente simple.
Por lo tanto, si bien los transmisores de onda corta de alta potencia de estado sólido son técnicamente posibles, las consideraciones económicas aún favorecen las válvulas por encima de los 3 MHz y 10 000 vatios. Los radioaficionados también utilizan amplificadores de válvulas en el rango de 500 a 1500 vatios principalmente por razones económicas.
Los amplificadores de audio a válvulas suelen amplificar todo el rango de audio entre 20 Hz y 20 kHz o más. Utilizan un transformador con núcleo de hierro para proporcionar una carga de alta impedancia adecuada a la(s) válvula(s) mientras accionan un altavoz, que normalmente es de 8 ohmios. Los amplificadores de audio normalmente utilizan una sola válvula en la clase A o un par en la clase B o clase AB .
Un amplificador de potencia de RF se sintoniza a una sola frecuencia tan baja como 18 kHz y tan alta como el rango de frecuencias UHF , con el propósito de transmisión de radio o calefacción industrial. Utilizan un circuito sintonizado estrecho para proporcionar a la válvula una impedancia de carga adecuadamente alta y alimentar una carga que normalmente es de 50 o 75 ohmios. Los amplificadores de RF normalmente operan en clase C o clase AB .
Aunque los rangos de frecuencia de los amplificadores de audio y los amplificadores de RF se superponen, la clase de operación, el método de acoplamiento de salida y el porcentaje de ancho de banda operativo serán diferentes. Las válvulas de potencia son capaces de ofrecer una respuesta de alta frecuencia, hasta al menos 30 MHz. De hecho, muchos de los amplificadores de audio de triodo de un solo extremo calentado directamente ( DH-SET ) utilizan válvulas de transmisión por radio diseñadas originalmente para funcionar como amplificadores de RF en el rango de alta frecuencia. [ cita requerida ]
Los amplificadores de RF basados en válvulas más eficientes operan en clase C. Si se utilizan sin un circuito sintonizado en la salida, esto distorsionaría la señal de entrada, produciendo armónicos. Sin embargo, los amplificadores de clase C normalmente utilizan una red de salida de Q alto que elimina los armónicos, dejando una onda sinusoidal sin distorsión idéntica a la forma de onda de entrada. La clase C es adecuada solo para amplificar señales con una amplitud constante, como FM , FSK y algunas señales CW ( código Morse ). Cuando la amplitud de la señal de entrada al amplificador varía, como con la modulación de banda lateral única , la modulación de amplitud , el video y las señales digitales complejas, el amplificador debe operar en clase A o AB, para preservar la envolvente de la señal de accionamiento en una forma sin distorsión. Dichos amplificadores se conocen como amplificadores lineales .
También es habitual modificar la ganancia de un amplificador que opera en clase C para producir modulación de amplitud . Si se hace de manera lineal, este amplificador modulado es capaz de producir una baja distorsión. La señal de salida puede considerarse como un producto de la señal de RF de entrada y la señal moduladora.
El desarrollo de la radiodifusión FM mejoró la fidelidad al utilizar un mayor ancho de banda que estaba disponible en el rango VHF y donde no había ruido atmosférico. La FM también tiene una capacidad inherente para rechazar el ruido, que en su mayoría está modulado en amplitud. La tecnología de válvulas sufre limitaciones de alta frecuencia debido al tiempo de tránsito cátodo-ánodo. Sin embargo, los tetrodos se utilizan con éxito en el rango VHF y los triodos en el rango bajo de GHz. Los transmisores de radiodifusión FM modernos utilizan dispositivos de válvulas y de estado sólido, y las válvulas tienden a usarse más en los niveles de potencia más altos. Los transmisores FM funcionan en clase C con una distorsión muy baja.
La radio digital actual, que transmite datos codificados a través de varias modulaciones de fase (como GMSK , QPSK , etc.), y también la creciente demanda de espectro han obligado a un cambio drástico en la forma en que se utiliza la radio, por ejemplo, el concepto de radio celular. Los estándares actuales de radio celular y transmisión digital son extremadamente exigentes en términos de la envolvente espectral y las emisiones fuera de banda que son aceptables (en el caso de GSM , por ejemplo, −70 dB o mejor a solo unos cientos de kilohercios de la frecuencia central). Por lo tanto, los transmisores digitales deben funcionar en modos lineales, prestando mucha atención a lograr una baja distorsión.
(Alto voltaje/alta potencia) Las etapas de válvulas se utilizaban para amplificar las señales de radiofrecuencia recibidas, las frecuencias intermedias, la señal de vídeo y las señales de audio en los distintos puntos del receptor. Históricamente (antes de la Segunda Guerra Mundial) los "tubos transmisores" se encontraban entre los tubos más potentes disponibles, normalmente se calentaban directamente mediante filamentos toriados que brillaban como bombillas. Algunos tubos se construían para que fueran muy resistentes, capaces de ser accionados con tanta fuerza que el ánodo brillara de color rojo cereza, y los ánodos se mecanizaban a partir de material sólido (en lugar de fabricarse a partir de una lámina fina) para poder soportar esto sin distorsionarse al calentarse. Los tubos notables de este tipo son el 845 y el 211. Los tubos de potencia de haz posteriores, como el 807 y el 813 (calentado directamente) también se utilizaron en grandes cantidades en transmisores de radio (especialmente militares).
En la actualidad, los transmisores de radio son en su gran mayoría de estado sólido, incluso en frecuencias de microondas (estaciones base de radio celular). Dependiendo de la aplicación, una buena cantidad de amplificadores de radiofrecuencia siguen teniendo una construcción de válvulas, debido a su simplicidad, mientras que se necesitan varios transistores de salida con circuitos complejos de división y combinación para igualar la misma cantidad de potencia de salida de una sola válvula.
Los circuitos amplificadores de válvulas son significativamente diferentes de los circuitos de estado sólido de banda ancha. Los dispositivos de estado sólido tienen una impedancia de salida muy baja que permite la adaptación a través de un transformador de banda ancha que cubre un amplio rango de frecuencias, por ejemplo, de 1,8 a 30 MHz. Con funcionamiento en clase C o AB, estos deben incluir filtros de paso bajo para eliminar los armónicos. Si bien el filtro de paso bajo adecuado debe seleccionarse por conmutación para el rango de frecuencia de interés, el resultado se considera un diseño "sin sintonización". Los amplificadores de válvulas tienen una red sintonizada que sirve tanto como filtro armónico de paso bajo como adaptación de impedancia a la carga de salida. En cualquier caso, tanto los dispositivos de estado sólido como los de válvulas necesitan dichas redes de filtrado antes de que la señal de RF se envíe a la carga.
A diferencia de los amplificadores de audio, en los que la señal de salida analógica tiene la misma forma y frecuencia que la señal de entrada, los circuitos de RF pueden modular información de baja frecuencia (audio, video o datos) en una portadora (a una frecuencia mucho más alta), y el circuito consta de varias etapas distintas. Por ejemplo, un transmisor de radio puede contener:
El circuito de ánodo más común es un circuito LC sintonizado en el que los ánodos están conectados a un nodo de voltaje . Este circuito se conoce a menudo como circuito de tanque de ánodo .
Un ejemplo de esto utilizado en VHF/ UHF incluye el 4CX250B , un ejemplo de un tetrodo doble es el QQV06/40A.
Neutralización es un término utilizado en los amplificadores TGTP (placa sintonizada con rejilla sintonizada) para los métodos y circuitos utilizados para la estabilización contra oscilaciones no deseadas en la frecuencia de operación causadas por la introducción inadvertida de parte de la señal de salida en los circuitos de entrada. Esto ocurre principalmente a través de la capacidad de la rejilla a la placa, pero también puede llegar por otras vías, lo que hace que el diseño del circuito sea importante. Para cancelar la señal de retroalimentación no deseada, una parte de la señal de salida se introduce deliberadamente en el circuito de entrada con la misma amplitud pero fase opuesta.
Al utilizar un circuito sintonizado en la entrada, la red debe hacer coincidir la fuente de excitación con la impedancia de entrada de la red. Esta impedancia estará determinada por la corriente de la red en funcionamiento de clase C o AB2. En funcionamiento AB1, el circuito de la red debe estar diseñado para evitar un voltaje de subida excesivo, que si bien puede proporcionar más ganancia de etapa, como en los diseños de audio, aumentará la inestabilidad y hará que la neutralización sea más crítica.
Al igual que los tres diseños básicos que se muestran aquí, el ánodo de la válvula está conectado a un circuito LC resonante que tiene otro enlace inductivo que permite que la señal de RF pase a la salida. El circuito que se muestra ha sido reemplazado en gran parte por una red Pi que permite un ajuste más simple y agrega un filtrado de paso bajo.
La corriente del ánodo se controla mediante el potencial eléctrico (voltaje) de la primera rejilla. Se aplica una polarización de CC a la válvula para garantizar que se utilice la parte de la ecuación de transferencia que sea más adecuada para la aplicación requerida. La señal de entrada puede perturbar (cambiar) el potencial de la rejilla, lo que a su vez cambiará la corriente del ánodo (también conocida como corriente de placa).
En los diseños de RF que se muestran en esta página, hay un circuito sintonizado entre el ánodo y la fuente de alimentación de alto voltaje. Este circuito sintonizado se pone en resonancia presentando una carga inductiva que se adapta bien a la válvula y, por lo tanto, da como resultado una transferencia de potencia eficiente.
Como la corriente que fluye a través de la conexión del ánodo está controlada por la red, la corriente que fluye a través de la carga también está controlada por la red.
Una de las desventajas de una rejilla sintonizada en comparación con otros diseños de RF es que se requiere neutralización.
Un circuito de rejilla pasiva utilizado en frecuencias VHF/UHF podría utilizar el tetrodo 4CX250B. Un ejemplo de un tetrodo gemelo sería el QQV06/40A. El tetrodo tiene una rejilla de protección que se encuentra entre el ánodo y la primera rejilla, que al estar conectada a tierra para RF, actúa como un escudo para reducir la capacitancia efectiva entre la primera rejilla y el ánodo. La combinación de los efectos de la rejilla de protección y la resistencia de amortiguación de la rejilla a menudo permiten el uso de este diseño sin neutralización. La pantalla que se encuentra en los tetrodos y pentodos aumenta en gran medida la ganancia de la válvula al reducir el efecto del voltaje del ánodo sobre la corriente del ánodo.
La señal de entrada se aplica a la primera rejilla de la válvula a través de un condensador. El valor de la resistencia de la rejilla determina la ganancia de la etapa amplificadora. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será la ganancia, menor el efecto de amortiguación y mayor el riesgo de inestabilidad. Con este tipo de etapa, un buen diseño es menos importante.
Este diseño normalmente utiliza un triodo, por lo que las válvulas como la 4CX250B no son adecuadas para este circuito, a menos que la pantalla y las rejillas de control estén unidas, convirtiendo efectivamente el tetrodo en un triodo. Este diseño de circuito se ha utilizado a 1296 MHz utilizando válvulas de triodo con sello de disco como la 2C39A.
La rejilla está conectada a tierra y el accionamiento se aplica al cátodo a través de un condensador. La fuente de alimentación del calentador debe estar aislada del cátodo, ya que, a diferencia de los otros diseños, el cátodo no está conectado a tierra de RF. Algunas válvulas, como la 811A, están diseñadas para funcionar con "polarización cero" y el cátodo puede estar a potencial de tierra para CC. Las válvulas que requieren una polarización de rejilla negativa se pueden utilizar colocando un voltaje de CC positivo en el cátodo. Esto se puede lograr colocando un diodo Zener entre el cátodo y la tierra o utilizando una fuente de alimentación de polarización independiente.
La capacitancia entre electrodos de la válvula que existe entre la entrada y la salida del amplificador y otros acoplamientos parásitos pueden permitir que se retroalimente suficiente energía a la entrada para provocar una autooscilación en una etapa del amplificador. Para los diseños de mayor ganancia, este efecto debe contrarrestarse. Existen varios métodos para introducir una señal desfasada desde la salida a la entrada de manera que se cancele el efecto. Incluso cuando la realimentación no es suficiente para provocar una oscilación, puede producir otros efectos, como una sintonización difícil. Por lo tanto, la neutralización puede ser útil, incluso para un amplificador que no oscila. Muchos amplificadores de rejilla conectados a tierra no utilizan neutralización, pero a 30 MHz, agregarla puede suavizar la sintonización.
Una parte importante de la neutralización de un tetrodo o pentodo es el diseño del circuito de la rejilla de protección. Para proporcionar el mayor efecto de protección, la pantalla debe estar bien conectada a tierra a la frecuencia de operación. Muchas válvulas tendrán una frecuencia de "autoneutralización" en algún lugar del rango de VHF. Esto es el resultado de una resonancia en serie que consiste en la capacidad de la pantalla y la inductancia del cable de la pantalla, proporcionando así una ruta a tierra de muy baja impedancia.
Los efectos del tiempo de tránsito son importantes en estas frecuencias, por lo que la retroalimentación normalmente no se puede utilizar y para aplicaciones de rendimiento crítico se deben utilizar técnicas de linealización alternativas, como la degeneración y la retroalimentación positiva.
El factor de ruido no suele ser un problema en el caso de las válvulas de los amplificadores de potencia, pero puede ser importante en los receptores que las utilizan. Si bien estos usos son obsoletos, se incluye esta información por su interés histórico.
Como cualquier dispositivo amplificador, las válvulas añaden ruido a la señal que se va a amplificar. Sin embargo, incluso con un amplificador hipotético perfecto, el ruido está inevitablemente presente debido a las fluctuaciones térmicas en la fuente de señal (que generalmente se supone que está a temperatura ambiente, T = 295 K). Tales fluctuaciones causan una potencia de ruido eléctrico de , donde k B es la constante de Boltzmann y B el ancho de banda. En consecuencia, el ruido de voltaje de una resistencia R en un circuito abierto es y el ruido de corriente en un cortocircuito es .
El factor de ruido se define como la relación entre la potencia de ruido a la salida del amplificador y la potencia de ruido que estaría presente en la salida si el amplificador no tuviera ruido (debido a la amplificación del ruido térmico de la fuente de señal). Una definición equivalente es: el factor de ruido es el factor por el cual la inserción del amplificador degrada la relación señal/ruido. A menudo se expresa en decibelios (dB). Un amplificador con un factor de ruido de 0 dB sería perfecto.
Las propiedades de ruido de los tubos a frecuencias de audio se pueden modelar bien con un tubo perfecto sin ruido que tenga una fuente de ruido de voltaje en serie con la rejilla. Para el tubo EF86, por ejemplo, este ruido de voltaje se especifica (consulte, por ejemplo, las hojas de datos de Valvo, Telefunken o Philips) como 2 microvoltios integrados en un rango de frecuencia de aproximadamente 25 Hz a 10 kHz. (Esto se refiere al ruido integrado, consulte a continuación la dependencia de la frecuencia de la densidad espectral del ruido). Esto es igual al ruido de voltaje de una resistencia de 25 kΩ. Por lo tanto, si la fuente de señal tiene una impedancia de 25 kΩ o más, el ruido del tubo es en realidad menor que el ruido de la fuente. Para una fuente de 25 kΩ, el ruido generado por el tubo y la fuente son los mismos, por lo que la potencia de ruido total en la salida del amplificador es el doble de la potencia de ruido en la salida del amplificador perfecto. La figura de ruido es entonces dos, o 3 dB. Para impedancias más altas, como 250 kΩ, el ruido de voltaje del EF86 es menor que el ruido de la propia fuente. Por lo tanto, agrega 1/10 de la potencia de ruido causada por la fuente, y el factor de ruido es 0,4 dB. Por otro lado, para una fuente de baja impedancia de 250 Ω, la contribución de voltaje de ruido del tubo es 10 veces mayor que la fuente de señal, de modo que la potencia de ruido es cien veces mayor que la causada por la fuente. El factor de ruido en este caso es 20 dB.
Para obtener un factor de ruido bajo, se puede aumentar la impedancia de la fuente mediante un transformador. Esto está limitado en última instancia por la capacidad de entrada del tubo, que establece un límite a cuán alta puede ser la impedancia de la señal si se desea un determinado ancho de banda.
La densidad de voltaje de ruido de un tubo determinado es una función de la frecuencia. A frecuencias superiores a 10 kHz aproximadamente, es básicamente constante ("ruido blanco"). El ruido blanco a menudo se expresa mediante una resistencia de ruido equivalente, que se define como la resistencia que produce el mismo ruido de voltaje que el presente en la entrada del tubo. Para los triodos, es aproximadamente (2-4)/ g m , donde g m es la transconductividad. Para los pentodos, es más alta, aproximadamente (5-7)/ g m . Por lo tanto, los tubos con g m alto tienden a tener un ruido más bajo a altas frecuencias. Por ejemplo, es 300 Ω para la mitad del ECC88, 250 Ω para un E188CC (ambos tienen g m = 12,5 mA/V) y tan bajo como 65 Ω para un D3a conectado a un trido ( g m = 40 mA/V).
En el rango de frecuencias de audio (por debajo de 1–100 kHz), el ruido "1/ f " se vuelve dominante, y aumenta como 1/ f . (Esta es la razón de la resistencia al ruido relativamente alta del EF86 en el ejemplo anterior). Por lo tanto, los tubos con bajo ruido a alta frecuencia no necesariamente tienen bajo ruido en el rango de frecuencias de audio. Para tubos de audio especiales de bajo ruido, la frecuencia en la que el ruido 1/ f toma el control se reduce tanto como sea posible, tal vez a aproximadamente un kilohertz. Se puede reducir eligiendo materiales muy puros para el níquel del cátodo y haciendo funcionar el tubo con una corriente de ánodo optimizada (generalmente baja).
En las frecuencias de radio, las cosas son más complicadas: (i) La impedancia de entrada de un tubo tiene un componente real que disminuye como 1/ f ² (debido a la inductancia del conductor del cátodo y los efectos del tiempo de tránsito). Esto significa que la impedancia de entrada ya no se puede aumentar arbitrariamente para reducir la figura de ruido. (ii) Esta resistencia de entrada tiene su propio ruido térmico, al igual que cualquier resistencia. (La "temperatura" de esta resistencia para fines de ruido está más cerca de la temperatura del cátodo que de la temperatura ambiente). Por lo tanto, la figura de ruido de los amplificadores de tubo aumenta con la frecuencia. A 200 MHz, se puede alcanzar una figura de ruido de 2,5 (o 4 dB) con el tubo ECC2000 en un circuito "cascódigo" optimizado con una impedancia de fuente optimizada. A 800 MHz, los tubos como el EC8010 tienen figuras de ruido de aproximadamente 10 dB o más. Los triodos planares son mejores, pero muy pronto, los transistores han alcanzado figuras de ruido sustancialmente más bajas que los tubos en UHF. Así, los sintonizadores de televisores estuvieron entre los primeros componentes de la electrónica de consumo en los que se utilizaron transistores.
Los amplificadores semiconductores han desplazado abrumadoramente a los amplificadores de válvulas para aplicaciones de potencia baja y media en todas las frecuencias.
Las válvulas continúan utilizándose en algunos amplificadores de alta potencia y alta frecuencia utilizados para transmisión de onda corta, TV VHF y UHF y radio FM (VHF), también en "radares, equipos de contramedidas o equipos de comunicaciones" [7] existentes que utilizan válvulas especialmente diseñadas, como el klistrón , el girotrón , el tubo de ondas viajeras y el amplificador de campo cruzado ; sin embargo, los nuevos diseños para tales productos ahora se basan invariablemente en semiconductores. [8]
