En electrónica , las cifras de mérito de un amplificador son medidas numéricas que caracterizan sus propiedades y rendimiento. Las cifras de mérito se pueden dar como una lista de especificaciones que incluyen propiedades como ganancia , ancho de banda , ruido y linealidad , entre otras enumeradas en este artículo. Las cifras de mérito son importantes para determinar la idoneidad de un amplificador en particular para un uso previsto.
La ganancia de un amplificador es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada o la amplitud, y normalmente se mide en decibeles . Cuando se mide en decibeles, está relacionada logarítmicamente con la relación de potencia: G (dB) = 10 log ( P de salida / P de entrada ). Los amplificadores de RF suelen especificarse en términos de la ganancia de potencia máxima obtenible, mientras que la ganancia de voltaje de los amplificadores de audio y los amplificadores de instrumentación se especificará con más frecuencia. Por ejemplo, un amplificador de audio con una ganancia dada como 20 dB tendrá una ganancia de voltaje de diez.
El uso de la cifra de ganancia de voltaje es apropiado cuando la impedancia de entrada del amplificador es mucho mayor que la impedancia de la fuente y la impedancia de carga es mayor que la impedancia de salida del amplificador.
Si se comparan dos amplificadores equivalentes, el amplificador con mayores configuraciones de ganancia sería más sensible, ya que se necesitaría menos señal de entrada para producir una cantidad determinada de potencia. [1] [ ¿ fuente poco confiable? ]
El ancho de banda de un amplificador es el rango de frecuencias para el cual el amplificador ofrece un "rendimiento satisfactorio". La definición de "rendimiento satisfactorio" puede ser diferente para diferentes aplicaciones. Sin embargo, una métrica común y bien aceptada son los puntos de media potencia (es decir, la frecuencia donde la potencia disminuye a la mitad de su valor pico) en la curva de salida vs. frecuencia. Por lo tanto, el ancho de banda se puede definir como la diferencia entre los puntos de media potencia inferior y superior. Por lo tanto, esto también se conoce como el ancho de banda de −3 dB . Los anchos de banda (también llamados "respuestas de frecuencia") para otras tolerancias de respuesta a veces se citan ( −1 dB , −6 dB , etc.) o "más o menos 1 dB" (aproximadamente la diferencia de nivel de sonido que las personas generalmente pueden detectar).
La ganancia de un amplificador de audio de rango completo de buena calidad será esencialmente plana entre 20 Hz y aproximadamente 20 kHz (el rango de la audición humana normal ). En el diseño de amplificadores de ultraalta fidelidad, la respuesta de frecuencia del amplificador debe extenderse considerablemente más allá de esto (una o más octavas a cada lado) y puede tener puntos de −3 dB < 10 Hz y > 65 kHz . Los amplificadores de gira profesionales a menudo tienen filtrado de entrada y/o salida para limitar drásticamente la respuesta de frecuencia más allá de 20 Hz-20 kHz ; de lo contrario, se desperdiciaría demasiada potencia de salida potencial del amplificador en frecuencias infrasónicas y ultrasónicas , y aumentaría el peligro de interferencia de radio AM. Los amplificadores de conmutación modernos necesitan un filtrado de paso bajo pronunciado en la salida para eliminar el ruido de conmutación de alta frecuencia y los armónicos .
El rango de frecuencia en el cual la ganancia es igual o mayor que el 70,7% de su ganancia máxima se denomina ancho de banda. [2]
La eficiencia es una medida de qué parte de la fuente de energía se aplica de manera útil a la salida del amplificador. Los amplificadores de clase A son muy ineficientes, en el rango del 10 al 20 %, con una eficiencia máxima del 25 % para el acoplamiento directo de la salida. El acoplamiento inductivo de la salida puede aumentar su eficiencia hasta un máximo del 50 %.
La eficiencia de drenaje es la relación entre la potencia de RF de salida y la potencia de CC de entrada cuando la potencia de CC de entrada primaria se ha suministrado al drenaje de un transistor de efecto de campo . Según esta definición, la eficiencia de drenaje no puede superar el 25 % para un amplificador de clase A al que se le suministra corriente de polarización de drenaje a través de resistencias (porque la señal de RF tiene su nivel cero en aproximadamente el 50 % de la CC de entrada). Los fabricantes especifican eficiencias de drenaje mucho más altas, y los diseñadores pueden obtener eficiencias más altas al proporcionar corriente al drenaje del transistor a través de un inductor o un devanado de transformador. En este caso, el nivel cero de RF está cerca del riel de CC y oscilará tanto por encima como por debajo del riel durante el funcionamiento. Mientras el nivel de voltaje está por encima del riel de CC, la corriente es suministrada por el inductor.
Los amplificadores de clase B tienen una eficiencia muy alta, pero no son prácticos para trabajos de audio debido a los altos niveles de distorsión (ver: Distorsión de cruce ). En el diseño práctico, el resultado de una compensación es el diseño de clase AB. Los amplificadores de clase AB modernos suelen tener eficiencias pico de entre el 30 y el 55 % en sistemas de audio y del 50 al 70 % en sistemas de radiofrecuencia con un máximo teórico del 78,5 %.
Los amplificadores de conmutación de clase D disponibles comercialmente han reportado eficiencias de hasta el 90%. Los amplificadores de clase CF son generalmente conocidos por ser amplificadores de muy alta eficiencia. RCA fabricó un transmisor de transmisión de AM que emplea un solo triodo de clase C de bajo mu con una eficiencia de RF en el rango del 90%.
Los amplificadores más eficientes funcionan a menor temperatura y, a menudo, no necesitan ventiladores de refrigeración, incluso en diseños de varios kilovatios. La razón de esto es que la pérdida de eficiencia produce calor como subproducto de la energía perdida durante la conversión de potencia. En los amplificadores más eficientes hay menos pérdida de energía y, a su vez, menos calor.
En los amplificadores de potencia lineales de RF, como las estaciones base celulares y los transmisores de radiodifusión, se pueden utilizar técnicas de diseño especiales para mejorar la eficiencia. Los diseños Doherty, que utilizan una segunda etapa de salida como amplificador de "pico", pueden elevar la eficiencia del típico 15 % hasta el 30-35 % en un ancho de banda estrecho. Los diseños de seguimiento de envolvente pueden lograr eficiencias de hasta el 60 %, modulando el voltaje de suministro al amplificador en línea con la envolvente de la señal.
Un amplificador ideal sería un dispositivo totalmente lineal, pero los amplificadores reales sólo son lineales dentro de ciertos límites.
Cuando aumenta la señal enviada al amplificador, la salida también aumenta hasta que se llega a un punto en el que una parte del amplificador se satura y no puede producir más salida; esto se llama recorte y produce distorsión .
En la mayoría de los amplificadores, se produce una reducción de la ganancia antes de que se produzca un recorte brusco; el resultado es un efecto de compresión que (si el amplificador es un amplificador de audio) suena mucho menos desagradable al oído. Para estos amplificadores, el punto de compresión de 1 dB se define como la potencia de entrada (o potencia de salida) donde la ganancia es 1 dB menor que la ganancia de la pequeña señal. A veces, esta no linealidad se diseña deliberadamente para reducir el desagradable sonido del recorte brusco en condiciones de sobrecarga.
Los efectos nocivos de la no linealidad se pueden reducir con retroalimentación negativa.
La linealización es un campo emergente y existen muchas técnicas, como feed forward , predistorsión y postdistorsión, para evitar los efectos no deseados de las no linealidades.
Esta es una medida de cuánto ruido se introduce en el proceso de amplificación. El ruido es un producto indeseable pero inevitable de los dispositivos y componentes electrónicos; además, gran parte del ruido es resultado de economías intencionales de fabricación y tiempo de diseño. La métrica para el rendimiento de ruido de un circuito es la cifra de ruido o factor de ruido. La cifra de ruido es una comparación entre la relación señal de salida a ruido y el ruido térmico de la señal de entrada.
El rango dinámico de salida es el rango, generalmente expresado en dB, entre el nivel de salida útil más pequeño y el más grande. El nivel útil más bajo está limitado por el ruido de salida , mientras que el más grande está limitado, la mayoría de las veces, por la distorsión. La relación entre estos dos se expresa como el rango dinámico del amplificador. Más precisamente, si S = potencia de señal máxima permitida y N = potencia de ruido, el rango dinámico DR es DR = (S + N ) /N . [3]
En muchos amplificadores de modo conmutado, el rango dinámico está limitado por el tamaño mínimo del paso de salida.
La velocidad de respuesta es la velocidad máxima de cambio de la salida, que normalmente se expresa en voltios por segundo (o microsegundo). Muchos amplificadores tienen una velocidad de respuesta limitada (normalmente debido a la impedancia de una corriente de excitación que debe superar los efectos capacitivos en algún punto del circuito), lo que a veces limita el ancho de banda de potencia total a frecuencias muy por debajo de la respuesta de frecuencia de pequeña señal del amplificador.
El tiempo de subida , t r , de un amplificador es el tiempo que tarda la salida en cambiar del 10 % al 90 % de su nivel final cuando se activa con una entrada escalonada . Para un sistema de respuesta gaussiana (o una simple reducción de RC ), el tiempo de subida se aproxima mediante:
t r * BW = 0,35 , donde t r es el tiempo de subida en segundos y BW es el ancho de banda en Hz .
El tiempo que tarda la salida en estabilizarse dentro de un cierto porcentaje del valor final (por ejemplo, 0,1 %) se denomina tiempo de estabilización y suele especificarse para amplificadores verticales de osciloscopios y sistemas de medición de alta precisión. El zumbido se refiere a una variación de salida que oscila por encima y por debajo del valor final de un amplificador y provoca un retraso en alcanzar una salida estable. El zumbido es el resultado de un sobreimpulso causado por un circuito subamortiguado .
En respuesta a una entrada escalonada, el sobreimpulso es la cantidad en que la salida excede su valor final de estado estable.
La estabilidad es un problema en todos los amplificadores con retroalimentación, ya sea que dicha retroalimentación se agregue intencionalmente o se produzca de manera no intencional. Es especialmente un problema cuando se aplica en varias etapas de amplificación.
La estabilidad es una de las principales preocupaciones de los amplificadores de RF y microondas . El grado de estabilidad de un amplificador se puede cuantificar mediante el denominado factor de estabilidad. Existen varios factores de estabilidad diferentes, como el factor de estabilidad de Stern y el factor de estabilidad de Linvil, que especifican una condición que se debe cumplir para la estabilidad absoluta de un amplificador en términos de sus parámetros de dos puertos .
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