Amplificador de Potencia Classe E

Amplificador de Potencia Classe E

CIRCUITOS ELETRÔNICOS I (TT306A) PROFESSOR FRANCISCO ARNOLD

DANILO DA SILVA HIPOLITO RA. 094726 FABRÍCIO GALANTE LICO RA. 093703 FELIPE ZAMBETTA RA. 097887 SOELENE BOMFIM DA SILVA RA. 092981

LIMEIRA /SP 1º SEMESTRE/2010

1. RESUMO3
2. INTRODUÇÃO3
3. ANÁLISE TEORICA3
3.1. CLASSE DE AMPLIFICADORES3
3.2. O AMPLIFICADOR CLASSE E3
4. METODOLOGIA9
4.1. DETERMINAÇÃO DOS COMPONENTES DO CIRCUITO9
5. RESULTADOS12
6. CONCLUSÃO15

1. RESUMO

O trabalho foi desenvolvido para um estudo teórico e prático sobre o amplificador de potência classe E. Serão mostrados alguns aspectos da operação do circuito amplificador Classe E, seja-os quanto à implementação do circuito e seus usos na eletrônica analógica.

2. INTRODUÇÃO

A necessidade de novas soluções tecnológicas para o mercado de telecomunicações é algo imprescritível para os dias atuais, em especial devido ao constante aumento dos requisitos de comunicação sem fio (wireless). Em diferentes situações podem ser percebidas algumas necessidades, como no caso discutido neste trabalho, onde é apresentado um circuito amplificador de potência para altas frequências.

No caso dos amplificadores de potência, o desafio de integração é grande, pois conseguir altos valores de eficiência em amplificadores integrados depende da qualidade dos componentes passivos, e isto continua sendo objetivo de muitos trabalhos de pesquisa.

O uso da Série de Fourier na modulação de demodulação de sinais é algo muito utilizado na eletrônica. E com o uso de circuitos que amplificam elevadas frequências, principalmente para a transmissão de sinais, busca-se uma integração à série de Fourier para a transmissão dos sinais.

3. ANÁLISE TEORICA

3.1. CLASSE DE AMPLIFICADORES.

Existem vários tipos de amplificadores de potência, com diferentes formas de funcionamento e estruturas. Por causa destas diferenças, os amplificadores de potência são agrupados ou classificados em diversas Classes. Esta classificação depende da forma do sinal da tensão e/ou da corrente de dreno (ou coletor no caso de TBJ), da porcentagem de tempo durante o qual o dispositivo se encontra em modo de condução, ou seja, do ponto de polarização, e do comportamento do dispositivo, funcionando como fonte de corrente controlada por tensão ou como chave.

3.2. O AMPLIFICADOR CLASSE E.

O amplificador Classe E é capaz de realizar as mesmas funções do amplificador Classe D utilizando apenas um transistor. O esquemático básico do circuito é mostrado na figura 3.1.

Figura 3.1 – Exemplo amplificador classe E.

Como pode ser visto, é projetado de forma a possuir um capacitor em paralelo com a saída do transistor, C (o qual consiste de todas as capacitâncias entre o dreno do transistor e a terra do circuito, incluídas as capacitâncias parasitárias do transistor, C1, e dos componentes conectados ao dreno, C2). Na transição para o intervalo de não condução do transistor, este capacitor ajuda a manter uma tensão de dreno baixa (idealmente zero) até quando a corrente de dreno seja zero ou o valor mínimo possível. Isto evita uma alta dissipação de potência no transistor durante esta transição.

Além do capacitor já citado, a topologia básica do PA Classe E é composta pelo transistor Q, que opera como uma chave, um indutor de choke (com um valor suficientemente alto para representar uma alta impedância na freqüência fundamental e permitir a passagem de uma corrente praticamente constante da fonte de alimentação Vdc para o resto do circuito), também conhecido como RFC, um circuito ressonante composto por L0 e C0 e um resistor de carga R. Com o amplificador Classe E, é possível aperfeiçoar os valores e chegar a uma eficiência (teórica) próxima de 100%.

Para se garantir o funcionamento do transistor como chave, é necessário que a tensão Vin possua forma retangular com freqüência f (Hz) e um ciclo de trabalho T (que é definido para um sinal retangular como a razão entre o tempo enquanto o sinal estiver no nível alto e o período do sinal). Desta forma, garante-se através do controle de amplitude que o transistor opere como uma chave.

Nos amplificadores Classe E, também se procura programar as condições desejadas nos PAs

Classe D. Como já foi colocado, o capacitor adicionado em paralelo com o dreno tem a função de diminuir o tempo de queda da tensão. A segunda e terceira condições (relatadas em amplificadores Classe D) não são verificadas de forma tão direta. Após o transistor “desligar” (quando estiver aberto, isto é, idealmente com resistência infinita), a rede de carga opera como um segundo ressoador e como um sistema de segunda ordem amortecido cujas condições iniciais se encontram sobre C, C0 e L0. Já o tempo de resposta depende do fator de qualidade Q da rede de carga que permite que o sinal possa ser sobreamortecido, subamortecido ou criticamente amortecido. As curvas ideais para um PA Classe E são apresentadas na figura 3.2. Nelas pode-se ver que os tempos de subida e descida da tensão e corrente de dreno não ocorrem simultaneamente, permitindo assim que as três condições sejam alcançadas.

Figura 3.2 – Formas de ondas idéias para o Classe E.

Para se fazer a análise de um amplificador funcionando em Classe E, serão feitas as seguintes suposições:

• O indutor de choke (RFC) é um indutor cuja reatância seja suficiente para poder ser considerado um RF aberto;

• O transistor atue como uma chave perfeita. Quando estiver “ligado”, a tensão de dreno deve ser zero, e quando estiver “desligado”, a corrente de dreno deve ser zero, respeitando assim as condições previamente estabelecidas.

• O valor da capacitância C = C1 + C2 seja independente da tensão de dreno (ou coletor no caso de TBJ).

• O circuito ressonante não esteja sintonizado na freqüência de operação possuindo, assim, uma reatância em série jX onde:

De modo a facilitar a análise, pode-se representar o circuito ressonante considerando um circuito ressoando na freqüência fundamental (com componentes ideais) em série com uma rede de reatância jX .

Figura 3.3 - Modelo equivalente de circuito Classe E.

Percebe-se que a tensão v1 (θ) não possui nenhum significado físico, mas será útil na análise que se segue. Primeiramente, procura-se obter as respostas em estado estacionário para o amplificador Classe

E. Entretanto, isto é mais difícil de obter que nas outras Classes de amplificadores de potência analisados até aqui, pois os parâmetros de interesse estão relacionados via equações não lineares.

onde, 2p t é um atraso no sinal de saída. A tensão fictícia v1 (q) é também uma onda senoidal, só que não em fase com vo(q) por causa da reatância jX , e é dada pela equação

onde Vx( ) é a tensão na reatância jX,

A diferença entre a corrente DC de entrada, IDC, e a corrente de saída, i ( , passa pelo capacito C quando o transistor estiver no estado aberto, e irá fluir pelo próprio transistor quando este estiver fechado. Se a tensão no capacitor for um valor diferente de zeroquando o transistor fechar, o capacitor descarrega e o transistor dissipa energia. Como foi assumido que o transistor funciona como uma chave ideal, não há resistência quando ele estiver no estado fechado (estado “ligado”), o que implica em descarga instantânea do capacitor. No entanto, isto não ocorre na realidade, havendo, assim, um intervalo de tempo para a descarga do capacitor. Porém, quanto menor o intervalo de tempo requerido par a a descarga do mesmo, mais próximo o modelo descrito aqui se torna válido.

Quando a chave (o transistor) está no estado desligado (em corte), a corrente ic ( ) = io ( ) carrega o capacitor C, gerando uma tensão:

Onde 1é o instante no qual a chave se abre.

serão descritas as formas de onda em termos do ângulo2y , sendo o início do estado

Para proceder com a análise, será tomado o centro do intervalo do estado desligado como p/2 e desligado em 1= p/2 –y e o fim em 2= p/2 +y .

Na freqüência de chaveamento, f, não há nenhum bloqueio no filtro ideal. Entretanto, a tensão fictícia v1 ( ), a qual é um sinal senoidal de fase 1, é a componente fundamental da tensão de dreno (e coletor, no caso de TBJ), v ( ),

operação do amplificador

Quando os valores dos componentes e a razão cíclica do sinal de chaveamento do transistor são especificados, pode ser encontrado por meio de. Com isso, podem ser encontrados os parâmetros de Com isso, a pode-se encontrar a potência de saída (dissipada no resistor de carga):

4. METODOLOGIA 4.1. DETERMINAÇÃO DOS COMPONENTES DO CIRCUITO

Figura 4.1 – Circuito Amplificador Classe E. (a) Circuito simplificado (b) Circuito detalhado.

Mediante análise do circuito da figura 4.1(a) e (b), são determinadas equações dos componentes do circuito em função da freqüência e o ciclo de trabalho do sinal de entrada, a tensão de alimentação DC e a potência de RF de saída. Os resultados são mostrados conforme equações de1 a 5 abaixo.

Na tabela 1 são mostrados resultados particulares da análise do amplificador classe E. A tabela 2 mostra equações dos componentes do circuito.

10 Tabela 1 – Parâmetros para cálculos

Tabela 2 – Calculo dos componentes

Baseando-se nas tabelas acima podemos determinar por fim o valor dos componentes do circuito.

Como pré-determinação do circuito assumimos para a montagem o resistor RL = 50Ω e tensão Vcc= 5V para operação em freqüência f = 2MHz e os valores dos outros componentes conforme calculado através das formulas determinadas nas tabelas 1 e 2 e seus valores comerciais mais próximos. Tem-se, por fim, a tabela 3

Valores Vcc L1 L2 C1 C2 RL Calculado 5V 19uH 4,3uH 2,02nF 1.2nF 50Ω

Comercial 5V 22uH 4,7uH 2,2nF 1nf 51Ω Tabela 3 – Valores dos componentes

Com isso, montando o circuito tem-se a figura 4.2.

Figura 4.2 – Classe E.

Nesta classe de funcionamento o elemento controlador também trabalha saturado ou cortado, mas não há corrente e tensão simultâneas durante a comutação. A carga é precedida por um circuito ressonante LC série, projetado de modo a apresentar um pulso de tensão no elemento controlador quando este está cortado. A alimentação de energia é através de fonte de corrente, no caso um indutor de alta reatância. Quando o elemento controlador satura, a tensão é zero, imposta pelo circuito ressonante, e a corrente é alta. Quando o transistor corta, a corrente circulante no indutor fornece energia ao circuito ressonante. Deste modo, a ausência de corrente e tensão simultâneas no transistor permite eficiência superior a 90%. Evidentemente não é linear, sendo sua aplicação limitada aos casos do parágrafo anterior. O circuito é assimétrico, resultando em forte conteúdo harmônico deve ser eliminado por circuitos de alto Q ou filtragem adicional.

5. RESULTADOS

O Sinal de entrada do circuito implementado na figura 4.2. as seguintes formas de onda simulado no software Multisim a figura 5.1.

Figura 5.1 –Sinal de entrada na Simulação E o sinal na prática, com a imagem obtida no osciloscópio na figura 5.2.

Figura 5.2 – Sinal de entrada no osciloscópio 1Vpp com tempo de 0,2us/div E na imagem obtida no osciloscópio,conforme mostrado na figura 5.3.

Figura 5.3 – Sinal de saída no osciloscópio. 1Vpp e 0,2us/div.

Por fim, tem-se como resultado a simulação das ondas de entrada (onda quadrada) e saída (onda senoidal), conforme figura 5.4.

Figura 5.4 – Resultado simulado do circuito amplificador Classe E. E na imagem obtida no osciloscópio, temos a figura 5.5.

Figura 5.5 – Resultado obtido no osciloscópio do amplificador Classe E – 1Vpp e 0,2us/div.

O circuito decompõe o sinal de entrada em uma série de Fourier, colocando na saída uma onda fundamental.

15 6. CONCLUSÃO

O uso de amplificadores de potência para altas frequências tem sido alvo de muitos estudos, pois com o uso cada vez maior de elementos eletrônicos para elevadas frequências torna-se prescindível o a implementação de circuitos que amplifique sinais a tais faixas de frequência. Observa-se que um amplificador de potência Classe E serve como um bom escape para essa questão. O modo de como o circuito Classe E opera é bem interessante.

Tem sido utilizado em telefones celulares, onde a eficiência é muito importante. O fato da capacitância de saída do transistor fazer parte do circuito ressonante também facilita o uso em UHF. Alguns experimentadores tem construído transmissores de AM em HF empregando esta técnica e também existem amplificadores comerciais em eletro-metalurgia e broadcasting.

Quando se fala de Séries de Fourier, sabemos que qualquer função periódica, por mais complicada que seja, pode ser representada como a soma de várias funções seno e cosseno com amplitudes, fases e períodos escolhidos convenientemente. Portanto, quando se coloca um sinal de onda quadrada na entrada do circuito vê-se a componente senoidal dessa onda, isso se deve à operação imposta pelo circuito amplificador Classe E, que por sua vez “filtra” o sinal de entrada, amplificando e tendo como saída do circuito uma componente senoidal do sinal de entrada.

Por fim, a série de Fourier permite o estudo de um sinal no domínio da freqüência ao invés do tempo e, contudo, torna-se indispensável na eletrônica, principalmente em geração e transmissão de sinais, com isso pode-se concluir que, a operação de um amplificador Classe E baseia-se na operação em altas frequências na amplificação de sinais transmitidos, como em transmissão por rede sem fio (wireless), por essa razão a sua direta ligação com a Série de Fourier, que é utilizada principalmente na modulação e demodulação de sinais.

16 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CASTRO, Leonardo Ferreira. Otimização de Amplificadores Classe E/F em tecnologia CMOS utilizando-se Algorítmo Genérico e Tecnica de Equilíbrio Harmônico. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 149p. 2007.

[2] CORREIA, Pedro Miguel Ferreira Pires. Amplificador de Potência. Relatório submetido como requisito parcial para a obtenção do grau de licenciado em Engenharia de Sistemas de Telecomunicações e Electrônica. Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. 2004.

[3] KAZIMIERCZUK, Marian K. TABISZ Wojciech A. Class C-E High-

Efficiency Tuned Power Amplifier. IEEE Transactions on circuits and systems, Vol. 36, No. 3, March 1989.

[4] RODRÍGUEZ RAMÍREZ, Eduard Emiro. Projeto de um Amplificador de

Potência Integrado a 2,4GHz em Tecnologia CMOS. São Paulo, 2004. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos.

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