Amplificador de potencia RF

Tipo de amplificador electrónico

Un amplificador de potencia de RF

Amplificador de potencia VHF de clase C basado en el transistor MRF317

Un amplificador de potencia de radiofrecuencia ( amplificador de potencia RF ) es un tipo de amplificador electrónico que convierte una señal de radiofrecuencia (RF) de baja potencia en una señal de mayor potencia. ^[1] Normalmente, los amplificadores de potencia RF se utilizan en la etapa final de un transmisor de radio , y su salida impulsa la antena . Los objetivos de diseño a menudo incluyen ganancia , potencia de salida, ancho de banda, eficiencia energética, linealidad (baja compresión de señal a la salida nominal), adaptación de impedancia de entrada y salida y disipación de calor.

Clases de amplificadores

Los circuitos amplificadores de RF funcionan en diferentes modos, llamados "clases", según la cantidad de corriente que conduce el amplificador (transistor o tubo de vacío) del ciclo de la señal de radio sinusoidal. Algunas clases son la clase A , la clase AB y la clase B , que se consideran las clases de amplificadores lineales en las que el dispositivo activo se utiliza como fuente de corriente controlada, mientras que la clase C es una clase no lineal en la que el dispositivo activo se utiliza como un interruptor. La polarización en la entrada del dispositivo activo determina la clase del amplificador.

Un equilibrio común en el diseño de amplificadores de potencia es el equilibrio entre eficiencia y linealidad. Las clases nombradas anteriormente se vuelven más eficientes, pero menos lineales, en el orden en que se enumeran. Operar el dispositivo activo como un interruptor da como resultado una mayor eficiencia, teóricamente hasta el 100%, pero una menor linealidad. ^[2] Entre las clases de modo conmutado se encuentran la clase D , la clase F y la clase E. [ ^3] El amplificador de clase D no se usa a menudo en aplicaciones de RF porque la velocidad de conmutación finita de los dispositivos activos y el posible almacenamiento de carga en saturación podrían conducir a un gran producto IV, ^[2] lo que deteriora la eficiencia.

Amplificadores de estado sólido y amplificadores de tubo de vacío

Los amplificadores de potencia de RF modernos utilizan dispositivos de estado sólido , predominantemente MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico). ^{[4] [5] [6]} Los primeros amplificadores de RF basados ​​en MOSFET datan de mediados de la década de 1960. ^[7] Los transistores de unión bipolar también se usaban comúnmente en el pasado, hasta que fueron reemplazados por MOSFET de potencia , particularmente transistores LDMOS , como la tecnología estándar para amplificadores de potencia de RF en la década de 1990, ^{[4] [6]} debido al rendimiento de RF superior de los transistores LDMOS. ^[6] En términos generales, los amplificadores de potencia de estado sólido contienen cuatro componentes principales: entrada, salida, etapa de amplificación y fuente de alimentación. ^[8]

Los transistores MOSFET y otros dispositivos de estado sólido modernos han reemplazado a los tubos de vacío en la mayoría de los dispositivos electrónicos, pero los tubos todavía se utilizan en algunos transmisores de alta potencia (consulte Amplificador de RF de válvulas ). Aunque son mecánicamente robustos, los transistores son eléctricamente frágiles: se dañan fácilmente por exceso de voltaje o corriente. Los tubos son mecánicamente frágiles pero eléctricamente robustos: pueden soportar sobrecargas eléctricas notablemente altas sin sufrir daños apreciables.

Aplicaciones

Las aplicaciones básicas del amplificador de potencia de RF incluyen la conexión a otra fuente de alta potencia, el accionamiento de una antena transmisora ​​y la excitación de resonadores de cavidad de microondas . Entre estas aplicaciones, el accionamiento de antenas transmisoras es la más conocida. Los transmisores-receptores se utilizan no solo para la comunicación de voz y datos, sino también para la detección meteorológica (en forma de radar ). ^[9]

Los amplificadores de potencia de RF que utilizan LDMOS ( MOSFET de difusión lateral) son los dispositivos semiconductores de potencia más utilizados en redes de telecomunicaciones inalámbricas , en particular redes móviles . ^{[4] [10] [6]} Los amplificadores de potencia de RF basados ​​en LDMOS se utilizan ampliamente en redes móviles digitales como 2G , 3G , ^{[4] [6]} y 4G ^[10] y la buena relación costo/rendimiento los convierte en la opción preferida para la radioafición . ^[11]

Diseño de amplificador de banda ancha

Las transformaciones de impedancia en un gran ancho de banda son difíciles de realizar, por lo que, convencionalmente, la mayoría de los amplificadores de banda ancha están diseñados para alimentar una carga de salida de 50 Ω. La potencia de salida del transistor se limita entonces a

${\displaystyle P_{\text{out}}\leq {\frac {(V_{\text{br}}-V_{\text{k}})^{2}}{8Z_{\text{o}}}},}$

dónde

${\displaystyle V_{\text{br}}}$se define como la tensión de ruptura ,

${\displaystyle V_{\text{k}}}$se define como la tensión de rodilla,

${\displaystyle Z_{\text{o}}}$Se elige de manera que se pueda alcanzar la potencia nominal.

La carga externa es, por convención, Por lo tanto, debe haber algún tipo de adaptación de impedancia que transforme de a ${\displaystyle Z_{\text{L}}=50~\Omega .}$ ${\displaystyle Z_{\text{o}}}$ ${\displaystyle Z_{\text{L}}=50~\Omega .}$

El método de línea de carga se utiliza a menudo en el diseño de amplificadores de potencia de RF. ^[12]

Véase también

• Amplificador FET
• Electrónica de potencia

Referencias

1. "Amplificadores de RF". info.apitech.com . Consultado el 18 de mayo de 2021 .
2. Lee, Thomas (2003). El diseño de circuitos integrados de radiofrecuencia CMOS . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. págs. 494–503.
3. Cloutier, Stephen R. (WA1QIX). "Descripciones, circuitos, etc. de transmisores de AM de clase E". www.classeradio.com . WA1QIX . Consultado el 6 de junio de 2015 – a través de qrz.com.{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
4. Baliga, B. Jayant (2005). MOSFET de potencia de RF de silicio. World Scientific . p. 1. ISBN 9789812561213.
5. "Ameritron ALS-1300: amplificador TMOS-FET sin sintonización de 1200 vatios". Descargas de información del producto. MFJ Enterprises . Archivado desde el original el 23 de abril de 2014. Consultado el 6 de junio de 2015 .
6. Perugupalli, Prasanth; Leighton, Larry; Johansson, Jan; Chen, Qiang (2001). "Transistores de potencia RF LDMOS y sus aplicaciones" (PDF) . En Dye, Norman; Granberg, Helge (eds.). Transistores de radiofrecuencia: principios y aplicaciones prácticas . Elsevier . págs. 259–92. ISBN. 9780080497945.
7. Austin, WM; Dean, JA; Griswold, DM; Hart, OP (noviembre de 1966). "Aplicaciones de los transistores MOS para televisión". IEEE Transactions on Broadcast and Television Receivers . 12 (4): 68–76. doi :10.1109/TBTR1.1966.4320029.
8. UTE I. VON MEHLEM, ROBERT E. WALLIS (1989). "AMPLIFICADORES DE POTENCIA DE ESTADO SÓLIDO PARA ALTÍMETROS DE RADAR DE SATÉLITE" (PDF) . Universidad Johns Hopkins .
9. WQ Lohmeyer, K. Cahoy (2013). "Efectos de la radiación del clima espacial en los amplificadores de potencia de estado sólido de los satélites geoestacionarios". Clima espacial . 11 (8): 476–488. doi :10.1002/swe.20071.
10. Asif, Saad (2018). Comunicaciones móviles 5G: conceptos y tecnologías. CRC Press . p. 134. ISBN 9780429881343.
11. "Un amplificador de banda ancha HF/6m de 600 W que utiliza dispositivos LDMOS asequibles". 27 de octubre de 2019.
12. Ozalas, Matthew (14 de enero de 2015). Cómo diseñar un amplificador de potencia de RF: conceptos básicos (breve video instructivo) . Recuperado el 10 de febrero de 2015 – a través de youtube.com.

Enlaces externos

• Fuentes, Carlos (octubre de 2008). Fundamentos de amplificadores de potencia de microondas (PDF) (Informe). Berna, Suiza: Centro Europeo de Investigación Nuclear . Consultado el 5 de marzo de 2013 .

• Khanifar, Ahmad (1 de diciembre de 2014). "Pautas de diseño de amplificadores de potencia de RF de banda ancha / Diseño de amplificadores de potencia de RF para predistorsión digital". linamptech.com . Soporte técnico. Laguna Hills, CA: Linamp Technologies, Inc . Consultado el 1 de diciembre de 2014 .