¿Qué es un Amplificador Lineal en Radio FM?

En el vasto universo de la comunicación por radio, la capacidad de tomar una señal débil y hacerla lo suficientemente fuerte como para viajar largas distancias es fundamental. Esta tarea recae en los amplificadores. Sin embargo, no todos los amplificadores son iguales. Algunos están diseñados para simplemente aumentar la potencia, mientras que otros tienen una misión más delicada: preservar la forma original de la señal. Aquí es donde entra en juego el concepto de amplificador lineal.

Un amplificador lineal es un tipo de amplificador electrónico diseñado para producir una señal de salida que es una copia precisa de la señal de entrada, pero generalmente con un nivel de potencia aumentado. La característica clave de un amplificador lineal es la proporcionalidad entre la amplitud de la señal de entrada y la amplitud de la señal de salida. Esto significa que si la señal de entrada varía de cierta manera, la señal de salida variará de la misma manera, simplemente a una escala mayor.

La Importancia de la Linealidad

La linealidad se refiere a la capacidad del amplificador para reproducir señales que son copias exactas de la entrada. En esencia, un amplificador perfectamente lineal no introduce distorsión armónica ni de intermodulación; simplemente aumenta la potencia de la señal sin cambiar su forma de onda original. La proporcionalidad entre la entrada y la salida es fundamental para mantener la integridad de la información codificada en la señal de radio.

La linealidad de un amplificador puede verse afectada por diversos factores, incluyendo la impedancia de carga, la tensión de alimentación, la corriente de base de entrada y las capacidades de potencia de salida. Mantener un funcionamiento lineal requiere un diseño cuidadoso y, a menudo, compromisos en otras áreas, como la eficiencia.

¿Por Qué es Crucial la Linealidad en Ciertas Modulaciones?

La necesidad de un amplificador lineal depende en gran medida del tipo de modulación utilizada en la señal de radio. Algunas modulaciones, como la Modulación de Amplitud (AM) o las modulaciones multinivel (como PAM, aunque menos común en la radio FM tradicional), codifican información en la amplitud de la señal. Si un amplificador no es lineal, distorsionará la amplitud de la señal, mezclando componentes de frecuencia o creando otros nuevos, lo que resultará en una señal de salida que no es una representación fiel de la entrada modulada. Esto puede degradar gravemente la calidad de la señal y dificultar o imposibilitar que el receptor la decodifique correctamente.

Por otro lado, modulaciones como la Modulación de Frecuencia (FM), la Modulación de Fase (PM), CW (Código Morse) o RTTY (Radioteletipo) son modulaciones de 'envolvente constante'. Esto significa que la información se codifica en la frecuencia o la fase de la señal, no en su amplitud, y la amplitud de la señal modulada idealmente permanece constante. Para estas modulaciones, la linealidad del amplificador de potencia final no es tan críticamente importante. De hecho, se pueden utilizar amplificadores no lineales, que a menudo son mucho más eficientes, para amplificar señales de envolvente constante.

Clases de Amplificadores y su Linealidad

Los amplificadores se clasifican en diferentes 'clases' de operación, que determinan cómo el dispositivo activo (un transistor o un tubo de vacío) conduce corriente durante el ciclo de la señal de RF. Cada clase ofrece diferentes compensaciones entre costo de implementación, eficiencia y precisión de la señal (linealidad). A continuación, se describen algunas clases relevantes en aplicaciones de RF:

• Clase A: Los amplificadores de Clase A son conocidos por su excelente linealidad. El dispositivo activo conduce corriente durante todo el ciclo completo de la señal de RF (360 grados). Esto asegura una reproducción muy fiel de la señal de entrada. Sin embargo, su principal desventaja es su baja eficiencia. Teóricamente, la eficiencia máxima de un amplificador Clase A es del 50%, pero en la práctica suele ser menor. Esta baja eficiencia significa que una parte significativa de la energía de CC se disipa como calor, lo que requiere disipadores grandes y fuentes de alimentación robustas. Pueden ser lineales tanto en topologías de un solo extremo (single-ended) como push-pull.
• Clase B: En los amplificadores de Clase B, el dispositivo activo conduce corriente durante aproximadamente medio ciclo de la señal de RF (180 grados). Esto los hace más eficientes que los de Clase A, con eficiencias que pueden alcanzar el 60-65%. Sin embargo, debido a que solo amplifican la mitad de la forma de onda, intrínsecamente introducen distorsión si se usan solos para señales con variación de amplitud. Para lograr linealidad con señales de envolvente variable, los amplificadores Clase B se utilizan típicamente en una configuración 'push-pull', donde dos dispositivos amplifican las mitades positiva y negativa del ciclo de RF respectivamente, o requieren el uso de un circuito tanque sintonizado en la salida. Requieren una potencia de excitación (drive) mayor que los de Clase A.
• Clase AB: Esta clase es un compromiso entre la Clase A y la Clase B. El dispositivo activo conduce durante más de medio ciclo pero menos de un ciclo completo (entre 180 y 360 grados). Esto se logra aplicando una polarización negativa a la rejilla (en tubos de vacío) o base (en transistores) que es más negativa que en la Clase A, pero menos negativa que en la Clase B pura. Dentro de la Clase AB, a veces se distinguen AB1 y AB2:
  • Clase AB1: La rejilla (o base) está polarizada más negativamente que en la Clase A. La señal de entrada es tal que la rejilla nunca llega a ser positiva (o la unión base-emisor nunca se polariza en directa de manera significativa), por lo que no hay corriente de rejilla/base.
  • Clase AB2: La polarización de la rejilla/base es a menudo más negativa que en AB1, y el tamaño de la señal de entrada es a menudo mayor. Cuando la excitación es capaz de hacer que la rejilla se vuelva positiva, la corriente de rejilla/base aumentará.

  Los amplificadores Clase AB ofrecen una mejor eficiencia que la Clase A y una mejor linealidad que la Clase B pura, especialmente en configuraciones push-pull o con circuitos sintonizados. Son muy comunes para amplificar señales de envolvente variable en aplicaciones donde se necesita una eficiencia razonable junto con buena linealidad.

• Clase C: Los amplificadores de Clase C son los más eficientes entre las clases 'tradicionales' (A, B, AB, C), con eficiencias que pueden rondar el 75% o más. El dispositivo activo conduce durante menos de medio ciclo de la señal de RF (típicamente alrededor de 120 grados o menos). Sin embargo, son intrínsecamente muy no lineales. Debido a su alta no linealidad, solo pueden usarse para amplificar señales de envolvente constante, como FM, CW o RTTY. No son adecuados para amplificar señales AM o cualquier otra modulación donde la información esté en la amplitud. La alta eficiencia de la Clase C permite que un dispositivo determinado entregue más potencia de RF que en Clase A o AB sin sobrecalentamiento. Por ejemplo, el texto menciona que dos tubos 4CX250B a 144 MHz pueden entregar 400 vatios en Clase A, pero 1000 vatios en Clase C.
• Clase D: Los amplificadores de Clase D utilizan tecnología de conmutación para lograr eficiencias muy altas, a menudo superando el 90%. El dispositivo activo opera como un interruptor, encendiéndose y apagándose completamente, lo que minimiza la disipación de energía. Debido a que la señal de entrada se convierte típicamente en un tren de pulsos digital para controlar la conmutación, muchos no consideran a la Clase D un amplificador 'lineal' en el sentido tradicional de proporcionalidad analógica directa. Sin embargo, mediante el uso de técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) y filtros de salida, pueden lograr una reproducción muy precisa de señales analógicas, y de hecho, se han incorporado en aplicaciones que requieren linealidad, tanto en audio como en radio.

Comparativa de Clases de Amplificadores (Orientación General)

Aquí presentamos una tabla comparativa simplificada basada en la información proporcionada:

Es claro que para ser considerado lineal, un amplificador debe operar en Clase A o Clase AB. Mientras que los amplificadores Clase B pueden ser parte de una configuración lineal (push-pull), la Clase C es fundamentalmente no lineal y solo se utiliza para señales de envolvente constante.

Técnicas de Linealización

Dada la inherente baja eficiencia de la Clase A y la necesidad de linealidad para modulaciones como AM, a menudo se utilizan amplificadores Clase AB (o incluso otras variaciones más eficientes como Doherty) como amplificadores de potencia (PA) en sistemas de transmisión de RF que manejan señales de envolvente variable. Sin embargo, incluso los amplificadores Clase AB introducen cierta distorsión, especialmente a altos niveles de potencia.

Para mejorar la eficiencia sin sacrificar la linealidad, se emplean diversas técnicas de linealización. Estas técnicas intentan corregir las distorsiones introducidas por el amplificador. Las más comunes incluyen:

• Realimentación (Feedback): Se toma una porción de la señal de salida y se compara con la señal de entrada. La diferencia (el error) se procesa y se realimenta a la entrada del amplificador de manera que contrarreste la distorsión.
• Anticipación (Feedforward): Se crea una señal de 'error' comparando la señal de entrada con la salida distorsionada del amplificador. Esta señal de error se amplifica por separado y luego se suma a la salida principal del amplificador con la fase adecuada para cancelar la distorsión.
• Predistorsión (Predistortion): Esta técnica modifica la señal de entrada *antes* de que llegue al amplificador de potencia. Se aplica una característica no lineal inversa a la de la distorsión esperada del amplificador. Si la predistorsión se ajusta correctamente, la distorsión introducida por la etapa de predistorsión cancelará la distorsión introducida por el amplificador, resultando en una salida más lineal. La predistorsión digital (DPD) es una técnica moderna muy utilizada en sistemas de RF, especialmente en estaciones base de telefonía móvil y transmisores de radio modernos. Implica modelar las características de transferencia no lineales del amplificador mediante muestreo de la salida y el cálculo de características inversas utilizando procesamiento digital de señales (DSP). La señal de banda base digital se multiplica por la inversa de las características de transferencia no lineal del PA antes de la conversión a RF y la amplificación.

Con los avances en DSP, la DPD se ha vuelto muy eficaz para corregir la distorsión y permitir que los amplificadores operen más cerca de su punto de saturación, donde son más eficientes, al mismo tiempo que cumplen con los requisitos de linealidad del sistema.

Aplicaciones de Amplificadores Lineales en Radio

Los amplificadores lineales son esenciales en diversas áreas de la radiocomunicación donde se manejan señales con amplitud variable o donde se requiere una reproducción de señal de alta fidelidad:

• Radioafición: Muchos radioaficionados utilizan amplificadores lineales para aumentar la potencia de sus transceptores, especialmente para modos como SSB (Banda Lateral Única, una forma de AM) o modos digitales complejos que requieren linealidad. Amplificadores lineales de 1 a 2 kilovatios que utilizan tubos de vacío aún son comunes y pueden proporcionar una amplificación de potencia de 10 a 20 veces. Los amplificadores de estado sólido son cada vez más populares en el rango de 1000 vatios y pueden ser excitados con tan solo 5 vatios. La tecnología LDMOS ha permitido amplificadores lineales de RF más eficientes y rentables para la comunidad de radioaficionados. Estos amplificadores deben operar en polarización Clase A o Clase AB para ser lineales, a diferencia de los amplificadores Clase C, que solo son adecuados para señales de envolvente constante como FM o CW.
• Radiodifusión Profesional: Las etapas de salida de los transmisores de radiodifusión de AM profesionales, incluso de hasta 50 kW, deben ser lineales para preservar la modulación de amplitud. Hoy en día, a menudo se construyen utilizando tecnología de estado sólido. Para transmisores de onda larga, media y corta de muy alta potencia (desde 500 kW hasta 2 MW) utilizados para radiodifusión internacional, todavía se emplean grandes tubos de vacío en las etapas de salida lineal. Aunque la radio FM es de envolvente constante y no *requiere* un amplificador lineal en la etapa final (pudiendo usar Clase C), un transmisor de FM completo puede contener etapas lineales en otras partes de la cadena de señal (por ejemplo, en la etapa de excitación o en amplificadores de banda ancha que manejan señales antes de la modulación final o la limitación).

Amplificadores Lineales vs. Amplificadores Limitadores

Es útil contrastar los amplificadores lineales con otro tipo: los amplificadores limitadores. Mientras que un amplificador lineal mantiene una relación proporcional constante entre la entrada y la salida dentro de su rango operativo, un amplificador limitador está diseñado para que su nivel de salida sea fijo y no cambie una vez que la señal de entrada supera un cierto umbral. Por debajo de este umbral, el amplificador limitador puede comportarse de manera lineal, pero una vez que se alcanza el umbral de limitación, cualquier aumento adicional en la entrada no produce un aumento en la salida; la señal se 'recorta' o 'limita'.

Los amplificadores limitadores se utilizan a menudo antes de dispositivos con niveles de entrada limitados o procesadores digitales. También se emplean intencionadamente para dar forma a la forma de onda, por ejemplo, para comprimir distorsiones como el 'ringing' o el 'overshooting'. La diferencia clave es que un amplificador lineal busca la máxima fidelidad de la forma de onda amplificando proporcionalmente, mientras que un amplificador limitador altera deliberadamente la forma de onda al fijar el nivel máximo de salida.

Preguntas Frecuentes sobre Amplificadores Lineales

¿Por qué no se usa siempre un amplificador lineal si son tan precisos?

La principal razón es la eficiencia. Los amplificadores lineales, especialmente los de Clase A y AB, son significativamente menos eficientes que los amplificadores no lineales como los de Clase C o D. Una menor eficiencia significa que se necesita más energía de CC para obtener una cierta potencia de salida de RF, y gran parte de la energía se disipa como calor, lo que requiere soluciones de enfriamiento más grandes y costosas.

¿Puede un amplificador de Clase C ser considerado lineal?

No, un amplificador de Clase C es intrínsecamente muy no lineal. Su alta eficiencia se logra permitiendo que el dispositivo activo conduzca corriente solo durante una pequeña parte del ciclo de RF. Esto distorsiona drásticamente la forma de onda de la señal si la amplitud varía. Solo son adecuados para amplificar señales de envolvente constante como FM o CW.

¿Los amplificadores lineales son necesarios para la radio FM?

Estrictamente hablando, la etapa final de amplificación de potencia para una señal FM (Modulación de Frecuencia), que es de envolvente constante, no *necesita* ser lineal. De hecho, se pueden usar amplificadores de Clase C, mucho más eficientes. Sin embargo, un transmisor de FM completo puede contener etapas lineales en otras partes de la cadena de señal, o se puede usar un amplificador lineal de Clase AB para FM, aunque no sea la opción más eficiente.

¿Qué es la predistorsión digital (DPD) y para qué sirve?

La DPD es una técnica de linealización moderna que utiliza procesamiento digital para corregir las distorsiones introducidas por un amplificador de potencia, típicamente uno que opera en Clase AB o similar. Modifica la señal de entrada digitalmente con una característica no lineal inversa a la del amplificador, permitiendo que este opere más cerca de su punto de saturación (donde es más eficiente) mientras se mantiene la linealidad general del sistema.

Conclusión

En resumen, un amplificador lineal es aquel que amplifica una señal manteniendo una estricta proporcionalidad entre la entrada y la salida, preservando así la forma de onda original y la información contenida en ella. Son esenciales para la amplificación de señales con amplitud variable, como la Modulación de Amplitud (AM), donde la fidelidad es crucial. Aunque son menos eficientes que sus contrapartes no lineales como la Clase C, la necesidad de preservar la integridad de la señal a menudo supera la desventaja de la eficiencia en muchas aplicaciones de radio. Las técnicas de linealización modernas, como la DPD, ayudan a cerrar la brecha, permitiendo amplificadores más eficientes sin sacrificar la necesaria linealidad para las comunicaciones de radio avanzadas.

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