Amplificador linear - Linear amplifier
Um amplificador linear é um circuito eletrônico cuja saída é proporcional à sua entrada, mas capaz de fornecer mais potência em uma carga . O termo geralmente se refere a um tipo de amplificador de potência de radiofrequência (RF) , alguns dos quais têm potência de saída medida em quilowatts e são usados no rádio amador . Outros tipos de amplificadores lineares são usados em equipamentos de áudio e de laboratório . Linearidade se refere à capacidade do amplificador de produzir sinais que são cópias precisas da entrada. Um amplificador linear responde a diferentes componentes de frequência de forma independente e tende a não gerar distorção harmônica ou distorção de intermodulação . Nenhum amplificador pode fornecer linearidade perfeita, entretanto, porque os dispositivos de amplificação - transistores ou válvulas - seguem leis de potência não lineares e contam com técnicas de circuito para reduzir esses efeitos. Existem várias classes de amplificadores que oferecem várias vantagens e desvantagens entre custo de implementação, eficiência e precisão do sinal.
Explicação
Linearidade se refere à capacidade do amplificador de produzir sinais que são cópias precisas da entrada, geralmente em níveis de potência aumentados. A impedância de carga, a tensão de alimentação, a corrente de base de entrada e as capacidades de saída de energia podem afetar a eficiência do amplificador.
Os amplificadores Classe A podem ser projetados para ter boa linearidade em topologias de terminação única e push-pull . Amplificadores das classes AB1, AB2 e B podem ser lineares apenas quando um circuito tanque sintonizado é empregado, ou na topologia push-pull , na qual dois elementos ativos (tubos, transistores) são usados para amplificar as partes positivas e negativas do ciclo de RF respectivamente. Os amplificadores Classe C não são lineares em nenhuma topologia.
Classes amplificadoras
Existem várias classes de amplificadores que oferecem várias vantagens e desvantagens entre custo de implementação, eficiência e precisão do sinal. Seu uso em aplicações de RF está listado resumidamente abaixo:
- Amplificadores Classe A são muito ineficientes, eles nunca podem ter uma eficiência melhor do que 50%. O semicondutor ou tubo de vácuo conduz ao longo de todo o ciclo de RF. A corrente anódica média para um tubo de vácuo deve ser definida para o meio da seção linear da curva da corrente anódica vs potencial de polarização da grade.
- Os amplificadores Classe B podem ser 60–65% eficientes. O semicondutor ou tubo de vácuo conduz pela metade do ciclo, mas requer grande potência de acionamento.
- A classe AB1 é onde a grade é mais influenciada negativamente do que na classe A.
- A classe AB2 é onde a grade é frequentemente mais polarizada negativamente do que em AB1, também o tamanho do sinal de entrada é frequentemente maior. Quando o inversor é capaz de tornar a grade positiva, a corrente da grade aumentará.
- Os amplificadores Classe C podem ser cerca de 75% eficientes com uma faixa de condução de cerca de 120 °, mas eles são muito não lineares . Eles só podem ser usados para modos não AM, como FM, CW ou RTTY. O semicondutor ou tubo de vácuo conduz por menos da metade do ciclo de RF. O aumento na eficiência pode permitir que um determinado tubo de vácuo forneça mais potência de RF do que poderia na classe A ou AB. Por exemplo, dois tetrodos 4CX250B operando a 144 MHz podem fornecer 400 watts na classe A, mas quando polarizados na classe C, podem fornecer 1.000 watts sem medo de superaquecimento. Ainda mais corrente de rede será necessária.
- Os amplificadores Classe-D usam tecnologia de comutação para alcançar alta eficiência, muitas vezes excedendo 90%, exigindo menos energia para operar, em comparação com outros tipos de amplificadores. Por causa do trem digital usado para acionar o amplificador, muitos não consideram o amplificador Classe-D um amplificador linear, mas muitos fabricantes de áudio e rádio incorporaram seu design em aplicações lineares.
Embora os amplificadores de potência (PA) classe A sejam os melhores em termos de linearidade, sua eficiência é bastante pobre em comparação com outras classes de amplificação, como amplificadores “AB”, “C” e Doherty . No entanto, maior eficiência leva a maior não linearidade e a saída de PA será distorcida, muitas vezes a ponto de não atender aos requisitos de desempenho do sistema. Por conseguinte, os amplificadores de potência de classe AB ou outras variações são utilizados com algum tipo adequado de esquemas de linearização como realimentação , alimentação de entrada ou analógico ou digital predistortion (DPD). Em sistemas de amplificador de potência DPD, as características de transferência do amplificador são modeladas por amostragem da saída do PA e as características inversas são calculadas em um processador DSP. O sinal de banda base digital é multiplicado pelo inverso das características de transferência não linear de PA, convertido para frequências de RF e aplicado à entrada de PA. Com um projeto cuidadoso de resposta de PA, os motores DPD podem corrigir a distorção de saída de PA e alcançar eficiências mais altas.
Com os avanços nas técnicas de processamento de sinal digital, a pré-distorção digital (DPD) agora é amplamente usada para subsistemas de amplificadores de potência de RF . Para que um DPD funcione adequadamente, as características do amplificador de potência precisam ser ideais e as técnicas de circuito estão disponíveis para otimizar o desempenho do PA.
Radioamador
A maioria dos amplificadores lineares de um a dois quilowatts fabricados comercialmente usados em rádios amadores ainda usam tubos de vácuo (válvulas) e podem fornecer amplificação de potência de RF de 10 a 20 vezes (10 a 13 dB). Por exemplo, um transmissor conduzindo a entrada com 100 watts será amplificado para 2.000 watts (2 kW) de saída para a antena. Os amplificadores lineares de estado sólido estão mais comumente na faixa de 500 watts e podem ser acionados por apenas 25 watts.
Amplificadores lineares de tubo de vácuo grandes geralmente dependem de um ou mais tubos de vácuo fornecidos por uma fonte de alimentação de voltagem muito alta para converter grandes quantidades de energia elétrica em energia de radiofrequência. Os amplificadores lineares precisam operar com polarização classe A ou AB , o que os torna relativamente ineficientes. Enquanto a classe C tem uma eficiência muito maior, um amplificador de classe C não é linear e só é adequado para a amplificação de sinais de envelope constante . Esses sinais incluem FM , FSK , MFSK e CW ( código Morse ).
Estações de rádio de transmissão
Os estágios de saída dos transmissores profissionais de transmissão de rádio AM de até 50 kW precisam ser lineares e agora são geralmente construídos com tecnologias de estado sólido. Tubos de vácuo grandes ainda são usados para transmissores internacionais de ondas longas, médias e curtas de 500 kW a 2 MW.