Amplificadores de potência de RF

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1 Amplificadores de poência de RF Objeivo: Amplificar sinais de RF em níveis suficienes para a sua ransmissão (geralmene aravés de uma anena) com bom rendimeno energéico. R g P e RF P CC Amplificador de poência de RF P perd η = P RF /P CC P RF UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

2 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Conceio de Classe de um amplificador ransisorizado 0 R g π 2π Classe A: condução durane 2π Amplificador de poência de RF 0 π 2π Classe B: condução durane π 0 π 2π Classe C: condução < π

3 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Conceio de Classe de um amplificador ransisorizado R g Classe D: rabalha em comuação Classe E: rabalha em comuação em ensão zero Amplificador de poência de RF Conrole

4 Tipos de amplificadores de poência de RF R g Amplificador de poência de RF v g Amplificadores lineares: a forma de onda da ensão de saída v s é proporcional à enrada v g. Amplificadores não lineares: a forma de onda da ensão de saída v s não é proporcional à de enrada v g. Caso paricular: ensão de saída v s proporcional a. v s UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

5 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro R g Amplificador Classe A com carga no circuio de polarização Polarização Circuio básico

6 P RF = i c12 /2 I B 1 P CC = i c1 η = P RF /P CC = i c1 /(2 ) Amplificador Classe A com carga no circuio de polarização / Escolhemos um pono de operação 1 Logo η aumena com 1. Mas o aumeno de 1 é limiado UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

7 η max = i c1 /(2 ) con 1 = /2 Logo: η max = 1/4 = 25% Amplificador Classe A com carga no circuio de polarização 1 = /2 / Valor máximo de 1 25% é um rendimeno máximo muio baixo! 1 = /2 I B UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

8 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro R g Amplificador Classe A com polarização por fone de correne Polarização Circuio básico I C

9 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Amplificador Classe A com polarização por fone de correne I C i L Implemenação da fone de correne I C i L A ensão na fone de correne deve ser conforme a figura

10 I C i L Amplificador Classe A com polarização por fone de correne Escolha do pono de operação para um valor de I C / Rea de carga CC Rea de carga CA com inclinação 1/ I B Esa é a rea de carga CA com os maiores níveis de ensão e correne e compaível com ensão posiiva na fone de correne UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

11 I C i L Amplificador Classe A com polarização por fone de correne 1 I C / Rea de carga CC Rea de carga CA 1 P RF = I c2 /2 P CC = I c η = I c /(2 ) Logo, η cresce com I C, que esá limiado a I C = /2 I B UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

12 I C i L i L 1 Amplificador Classe A com polarização por fone de correne I C / Rea de carga CA 1 P RF = I c2 /2 P CC = I c η = I c /(2 ) Com I C = /2, η max = 1/4 = 25%. O rendimeno ambém é baixo! I B Rea de carga CC UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

13 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro R g Amplificador Classe A com polarização por resisência de coleor Polarização Circuio básico i L R C VCC

14 R C i L Amplificador Classe A com polarização por resisência de coleor VCC / Rea de carga CC 1 1 I B Pono de operação Rea de carga CA com inclinação (R C )/( R C ) Como escolher R C para ober o rendimeno máximo? Qual será o rendimeno máximo? Não demonsrado aqui: Condição de rendimeno máximo é: R C = 2 e η max = 1/(6 4 2) = 8,57%... Ainda mais baixo! UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

15 Resumo dos amplificadores Classe A já visos η max = 25% Toda a componene CA de circula na carga. A carga dissipa a componene coninua. I C i L i L η max = 25% Toda a componene CA de circula na carga. A fone de correne dissipa a componene coninua. É possível conseguir que os elemenos e circuios de polarização não dissipem energia CC ou CA? R C i L η max = 8,57% VCC A componene CA de circula na carga e na resisência de polarização. Na resisência de polarização se dissipa as componenes CC e CA. UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

16 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro R g Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor Polarização Circuio básico L CH i RL A bobina L CH deve apresenar uma impedância muio maior que na freqüência de rabalho

17 Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor L CH i RL Em ambos casos: Circuio equivalene Toda a componene CA de circula na carga. L CH i RL Na bobina (induor perfeio), não há dissipação de poência. UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

18 Oura possibilidade de implemenação, com um grau de liberdade maior Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor 1:n i RL É como no caso anerior: L m i RL = /n 2 i RL = i RL n Toda a componene CA de circula na carga (modificada pela relação de ransformação do ransformador). No ransformador (ideal), não há dissipação de poência. UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

19 Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor Circuio em esudo L CH i RL Rea de carga CA com inclinação 1/ Pono de rabalho Rea de carga CC Como se deve escolher o pono de operação para ober o máximo rendimeno possível? IB UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

20 Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor L CH i RL P RF = (i c1 ) 2 /(2 ) P CC = i c1 η = P RF /P CC = i c1 /(2 ) Rea de carga CA com inclinação 1/ A componene CA no ransisor é a mesma que na carga 1 Rea de carga CC IB 1 O máximo valor de i c1 é i c1 = e porano η max = 1/2 = 50%. O rendimeno melhorou mas ainda é baixo! UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

21 Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor L CH Siuação com máximo sinal que se pode operar i RL η max = 50%. 1 = / Qual é o rendimeno quando o sinal não é o máximo possível? 21 Rea de carga CC I B UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro 2

22 Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor L CH i RL P RF = ( ) 2 /(2 ) P CC = 2 / Siuação com excursão do sinal abaixo do máximo η = P RF /P CC = 0,5 ( / ) 2 2 / Rea de carga CC I B Inclin. 1/ UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro 2

23 Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor Com ransisores reais (não idealizados) P RF = ( sa ) 2 /(2 ) P CC = ( sa )/ η = 0,5 ( sa )/ 2 / ( sa )/ sa Rea de carga CC Inclin. 1/ sa IB 2 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

24 v p Amplificador Classe A com polarização por bobina de choque no coleor v ce (ω m, ω p ) Sinal modulado em ampliude v m v ce (ω m, ω p ) = (ω m ) sen(ω p ) (ω m ) = v p [1 m sen(ω m )] m = v m /v p η(ω m ) = 0,5 [ (ω m )/ ] 2 2 / η(ω m ) = 0,5 (v p / ) 2 [1 m sen(ω m )] 2 η med = 0,5 (v p / ) 2 [1 m 2 /2] η med max v p = /2, m = 1 η med max = 0,125 [1 1/2] = 18,75% Rea de carga CC Também é muio baixo! I B Inclin. 1/ UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro 2

25 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Amplificador Classe B com um ransisor R g Polarização Circuio básico Circuio ressonane na freqüência de sinal de RF L i RL C 180º v RL

26 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro C C L L Equivalene i RL 180º v RL i RL 180º Amplificador Classe B com um ransisor 180º v RL L C i RL v RL

27 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro 180º Amplificador Classe B com um ransisor 180º ca i (11/π) Cpico I C pico /π Circuios equivalenes ca I C L C pico L Não gera ensão na carga v RL C v RL

28 180º Amplificador Classe B com um ransisor ca icpico (11/π) Os harmônicos se curocircuiam pelo condensador ca1 (ω) = (pico /2) sen(ω) v RL (ω) = i RL (ω) = ca1 (ω) Circuios equivalenes = ca1 icpico /2 ca (ω) ca1 Harm. v RL (ω) = (pico /2) sen(ω) ca1 icpico /2 Harmônicos L ca1 i RL (ω) C i RL v RL UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro v RL

29 L Reas de carga, pono de operação (esáico) e excursão do pono de rabalho i RL Amplificador Classe B com um ransisor C 180º v v RL CE RL Chamamos v ce a componene alernada de. Enão: v ce (ω) = v RL (ω) = (pico /2) sen(ω) v ce (ω) = ( /2) pico sen(ω) = ( /2) Enão: = pico /2 2 / pico 180º Inclinação 2/ Rea de carga CC Inclinação 0 I B Pono de Operação UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

30 L i RL C v RL Cálculo do rendimeno máximo possível RL 2 / pico P RF = ( ) 2 /(2 ) = (pico ) 2 /(8 ) P CC = pico /π Amplificador Classe B com um ransisor η = P RF /P CC = pico π/(8 ) 180º Inclinação 2/ Rea de carga CC Inclinação 0 O valor máximo de pico é pico max = 2 / e porano: η max = π/4 = 78,5% pico /π Melhorou basane! I B Pono de operação = pico /2 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

31 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro L i RL Amplificador Classe B com um ransisor C v RL η max = π/4 = 78,5% Siuação com o máximo sinal que pode operar 2 / 180º I B Rea de carga CC 2

32 Cálculo da poência máxima dissipada no ransisor, P Tr P RF = (pico ) 2 /(8 ) P CC = pico /π P Tr = P CC P RF P Tr = pico /π (pico ) 2 /(8 ) P Tr possui um máximo em: pico PTmax = 4 /(π ) Devese noar que: pico PTmax < pico max = 2 / P Trmax = 2 2 /(π 2 ) A poência máxima de RF é: P RF max = (pico max ) 2 /(8 ) P RF max = 2 /(2 ) Enão: Amplificador Classe B com um ransisor P Trmax = 4 P RF max /π 2 = 0,405 P RF max 2 / pico pico /π 180º i Rea de carga CC C I B UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

33 Amplificador Classe B com um ransisor P RF = ( sa ) 2 /(2 ) P CC = 2 ( sa )/(π ) η = π ( sa )/(4 ) η = 0,785 ( sa )/ Com ransisores reais (não idealizados) 2 ( sa )/ 2 / Inclinação 180º 2/ sa sa Rea de carga CC IB 2 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

34 v p (ω m ) = v p [1 m sen(ω m )] m = v m /v p P RF = [ (ω m )] 2 /(2 ) P CC = pico (ω m )/π (ω m ) = pico (ω m ) /2 P CC = 2 (ω m )/(π ) η = P RF /P CC = π (ω m )/( )/(4 ) η = 0,785 v p [1 m sen(ω m )]/ η med = 0,785 v p / Amplificador Classe B com um ransisor v m 2 / pico (ω m ) η med max v p = /2 η med max = 39,26% Sinal modulado em ampliude Inclinação 2/ Rea de carga CC Inclinação 0 I B Pono de operação (ω m ) UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

35 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro R g Amplificador Classe B com dois ransisores Circuio básico: Monagem em conrafase ou Push Pull Polarização 1 = /n 2 1 i RL 2 2 1:1:n v RL Q 2

36 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro 180º i B1 i B1 i B2 Q i RL 1 i RL 1:1:n v RL i B2 180º Amplificador Classe B com dois ransisores Circuio básico: Monagem em conrafase ou PushPull 180º 2 180º

37 180º 2 = /n º 1 2 Amplificador Classe B com dois ransisores Circuio básico: Monagem em conrafase ou Push Pull 1:1:n i RL i RL v RL pico / 2 I B1 1 Inclinação 1/ Rea de carga CC 2 I B1 Pono de Operação 1 pico / UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

38 Amplificador Classe B com dois ransisores Cálculo do rendimeno máximo P RF = pico2 /2 P CC = 2 pico /π η = pico π/(4 ) η = 0,785 pico / Como: pico max = /, enão: η max = π/4 = 78,5% Como no caso de um ransisor UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

39 η max = 78,5% Q 2 Amplificador Classe B com dois ransisores :1:n Máximo sinal que se pode operar i RL / v RL Rea de carga CC 1 I B1 Pono de Operação 1 2 I B1 2 / UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

40 Ganho dos amplificadores Classe A com bobina, Classe B com um ransisor e Classe B com dois ransisores Classe A 2 / Classe B, 1 Trans. 2 / 1/RL v RL / i B = β v RL / i B = β/2 I B 2 I B 2 Para faciliar, calculase a Transresisência v RL / i B Em odos os casos: v RL =, i B = /β / 2 Classe B, 2 Trans. I B1 1 v RL / i B = n β 2 I B1 1 / UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

41 Comparação enre amplificadores Classe A, Classe B com um ransisor e Classe B com dos ransisores Amplificador Classe A Classe B, 1 ransisor Classe B, 2 ransisores Rendimeno máximo 50% 78,5% 78,5% Ganho de ensão β/r BE β/(2 r BE ) n β/r BE Impedância de enrada Linear Não linear Linear max 2 / 2 / / r BE = resisência dinâmica da junção baseemissor = /n 2 Banda Larga Esreia Larga UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

42 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Circuios de polarização em classes A e B Polarização i B 0 À base do ransisor V BE Classe B D Classe A R P C L CH À base do ransisor Sobra no caso do PushPull

43 Amplificadores Classe C O rendimeno máximo eórico pode ser maior que 78,5%? R g Polarização O que deverá ser sacrificado? < 180º Circuio básico L i RL C Circuio ressonane v RL O circuio LC ressona livremene e repõem a energia que ransfere à carga nos períodos de condução do ransisor. UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

44 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro i B Amplificadores Classe C Como conseguir um ângulo de condução menor que 180º? R g v g V B v BE v γbe r BE φ C v g Como conseguir proporcionalidade enre i B e v g? i B V B v γbe

45 Relações enre as variáveis: v g = V g pico sen(ω) Se (πφ C )/2 < ω < (πφ C )/2, Se ω < (πφ C )/2 o ω > (πφ C )/2, Amplificadores Classe C i B = φ C = 2 arcos[(v B v γbe )/V g pico ] Para conseguir proporcionalidade enre i B e v g devem ser aendidos: V B v γbe devem variar proporcionalmene com V g pico. φ C deve ser consane. V g pico sen(ω) (V B v γbe ) i B = 0 R g r BE v g i B φ C V B v γbe UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

46 R g v g V B i B R B C B v BE V B = (V g pico v γbe ) R B /(R B R g r BE ) Amplificadores Classe C V B v γbe = V g pico R B /(R B R g r BE ) v γbe (R g r BE )/(R B R g r BE ) Se V g pico R B >> v γbe (R g r BE ), enão: V B v γbe V g pico R B /(R B R g r BE ) quer dizer, proporcionalidade Como: v g = V B v γbe (R g r BE ) i B Realização práica v γbe r BE v BE = v γbe i B r BE v g >> v BE Ganho pequeno UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

47 L β i RL C v RL RL I Cpico φ c Amplificadores Classe C Como: V g pico sen(ω) (V B v i B = ) γbe R g r BE φ C = 2 arcos[(v B v )/V γbe g pico ] Enão: i B = [sen(ω) cos(φ C /2)] V g pico /(R g r BE ) Porano: = [sen(ω) cos(φ C /2)] β V g pico /(R g r BE ) O valor de pico vale: pico = [1 cos(φ C /2)] β V g pico /(R g r BE ) De ouro modo: sen(ω) cos(φ = /2) Cpico 1 cos(φ C /2) UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

48 Componene CC: Amplificadores Classe C = pico Comp. Fundamenal: Componenes harmônicas O reso dos harmônicos se curocircuian pelo condensador sen(ω) cos(φ C /2) 1 cos(φ C /2) pico sen(φ C /2) (φ C /2) cos(φ C /2) I C = π 1 cos(φ C /2) pico φ C senφ C ca1 (ω) = sen(ω) 2π 1 cos(φ C /2) I C i i L C Cca1 Harm. C v RL UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

49 Porano: v RL (ω) = ca1 (ω) v ce (ω) = v RL (ω) = ca1 (ω) pico φ v ce = R C senφ C L sen(ω) 2π 1 cos(φc /2) Enão: pico φ C senφ C ca1 (ω) = sen(ω) 2π 1 cos(φ C /2) φ v ce = C senφ C i 2π Cpico sen(ω) 1 cos(φ C /2) Amplificadores Classe C Circuio equivalene CA ca1 (ω) L β i RL C v RL ca1 (ω) RL UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro v RL

50 Reas de carga, pono de operação (esáico) e excursão do pono de operação pico φ C Rea de carga CA Inclin. 1/ Amplificadores Classe C Rea de carga CC Como: φ v ce = C senφ C i 2π Cpico sen(ω) 1 cos(φ C /2) Enão: I B φ C senφ C = i 2π Cpico 1 cos(φ C /2) Logo: sendo: = pico φ C senφ C = 2π 1 cos(φc /2) 0 Cálculo de 0 : πφ C 2 0 = cos(φ C /2) Valor da inclinação da rea de carga : 1/[ (1 cos(φ C /2)] UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

51 P RF = ( ) 2 /(2 ) = (pico ) 2 /(2 ) φ C senφ C = 2π 1 cos(φc /2) P CC = I C I C = sen(φ C /2) (φ C /2) cos(φ C /2) icpico π [1 cos(φ C /2)] η = P RF /P CC η = P RF /P CC = Cálculo do rendimeno máximo pico max = 0 min /[ (1 cos(φ C /2)] = [ (1 cos(φ C /2))]/[ (1 cos(φ C /2)] pico max = / Amplificadores Classe C pico [φ C senφ C ] I C pico 4 [sen(φ C /2) (φ C /2) cos(φ C /2)] Logo η aumena com pico. Calculamos o valor máximo: φ C Inclinação 1/[ (1 cos(φ C /2)] 0 πφ C 2 I B UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

52 Subsiuindo pico por pico max : η max = η max [%] [φ C senφ C ] 4 [sen(φ C /2) (φ C /2) cos(φ C /2)] φ C [º] Amplificadores Classe C Cálculo do rendimeno máximo Classe C (exemplif.) Classe B Classe A Rendimeno máximo real: I C pico max ( sa ) [φ C senφ C ] η max real = 4 [sen(φ C /2) (φ C /2) cos(φ C /2)] φ C Siuação com o máximo sinal que se pode operar Inclinação 1/[ (1 cos(φ C /2)] 0 Incl. 1/ πφ C 2 I B 2 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

53 Amplificadores Classe C Resumo de caracerísicas: Linearidade: Difícil, sacrificando o ganho. Rendimeno máximo: Alo, 8090 %. Ganho: Baixo. Impedância de enrada: Muio não linear. Correne de coleor: Picos elevados e esreios. Largura de banda: Pequena. UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

54 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Amplificadores Classe C L Modulador de ampliude Amplificador de poência de BF C v r v RL = v r v r v CC v CC v RL

55 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Amplificadores Classe D 2 Q 2 Circuio básico 1 i D1 D 1 i L i D2 D 2 /2 i L v RL A v A L C v V A CC /2 /2 v RL

56 Q D 1 Amplificadores Classe D v A /2 i D1 i L i D2 D 2 /2 A v A Análise L C v RL v RL /2 = Harmônicos v RL = ( /2) 4/π = 2 /π Logo, a ensão de saída é proporcional a alimenação Pode usarse como modulador de ampliude. v RL Menor freqüência de operação devido aos ransisores rabalharem em comuação. UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

57 Amplificadores Classe D e amplificadores Classe E Q 2 i L 1 2 i D1 D 1 i V L CC /2 i D2 D 2 v A Comuação forçada dos diodos: deixam de conduzir quando os ransisores começam a conduzir. A v A L C 1 Classe D i L 2 v RL v A Classe E v A i L 1 i D1 2 i D2 Comuação naural dos diodos: deixam de conduzir quando se invere a correne de ressonância. UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

58 UERJ Circuios de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Exemplo práico de amplificador de poência (obido do ARRL Handbook 2001) PushPull Amplificador linear Classe B em PushPull Polarização Filro passabaixos