Técnicas de Sesgo BJT: Dominando Amplificadores Clase A, B, AB, C y D

Durante la sección de emisor común de este capítulo, una simulación SPICE reveló una salida rectificada de media onda: el transistor no logró permanecer en su región activa durante la mitad del ciclo de entrada. Para preservar la forma de onda completa, se introdujo un pequeño voltaje de sesgo, manteniendo al transistor en modo activo durante todo el ciclo. Este voltaje de sesgo es esencial para muchas clases de amplificadores.

En algunos escenarios, una salida de media onda es intencional. Ciertas aplicaciones requieren una clase de operación específica —denotada por las letras A, B, C o AB— donde el amplificador reproduce solo parte de la forma de onda de entrada. A continuación se presenta una visión general concisa de cada clase.

Visión general de las clases de amplificadores

Clase A

En Clase A, el transistor conduce durante todo el ciclo de entrada, nunca alcanzando corte ni saturación. Un sesgo DC coloca al transistor exactamente a mitad de camino entre corte y saturación, centrando la señal AC entre los límites alto y bajo del amplificador. Esto produce una reproducción fiel de la forma de onda de entrada.

Clase B

Los amplificadores Clase B fueron los primeros en usar una configuración de emisor común sin sesgo DC. El transistor conduce solo durante la mitad del ciclo, produciendo una salida de media onda. Aunque una sola etapa Clase B rara vez es útil, un par push-pull —dos transistores complementarios— maneja las mitades positiva y negativa por separado. Combinados, recrean la forma de onda completa mientras ofrecen mayor potencia de salida y disipación de calor reducida comparado con Clase A.

Clase AB

La Clase AB se sitúa entre las Clases A y B. El transistor conduce más del 50 % pero menos del 100 % del ciclo, equilibrando linealidad y eficiencia. Al sesgar la base ligeramente negativa respecto a la Clase A, el transistor pasa menos tiempo en corte, pero evita la distorsión severa de la Clase B pura.

Clase C

La operación Clase C conduce menos de media ciclo (<180°). Aunque la salida está fuertemente recortada, emparejando el amplificador con un circuito tanque resonante (LC paralelo) permite que los "empujones" del amplificador mantengan una oscilación de alta frecuencia. Esta configuración es ideal para transmisores RF de frecuencia fija, como radio FM, donde la eficiencia de potencia es primordial.

Clase D

Los amplificadores Clase D difieren fundamentalmente: el transistor de salida se conduce solo en corte o saturación, produciendo una onda cuadrada de alta frecuencia cuyo ciclo de trabajo coincide con la amplitud de entrada. Tras un filtrado pasa-bajos, la salida aproxima estrechamente la forma de onda original. Esta topología minimiza la disipación de calor y alcanza una eficiencia muy alta, siendo común en audio de alta potencia e inversores industriales.

Corriente de reposo y líneas de carga

La corriente de reposo es la corriente estable que fluye cuando la entrada es cero. En Clase A, equivale a la mitad de la corriente de saturación; Clases B y C tienen corriente de reposo cero; Clase AB está justo por encima del corte. Una línea de carga —graficando voltaje colector-emisor contra corriente de colector— ilustra el punto de operación del transistor para una resistencia de carga dada. Para Clase A, el punto de reposo yace en el punto medio de la línea de carga, asegurando operación lineal y evitando saturación.

Sesgo práctico con divisores de voltaje

Usar una batería separada para proveer sesgo es impractical porque el voltaje de la batería deriva con el tiempo. En su lugar, un divisor de voltaje a través de la alimentación principal puede generar el sesgo requerido. Por ejemplo, con una alimentación de 15 V, seleccionando R₂ = 8,466 kΩ y R₃ = 1,533 kΩ se obtiene 2,3 V a través de R₃. Sin embargo, colocar la entrada AC directamente a través de R₃ cortocircuitaría el voltaje de sesgo. Un capacitor de acoplamiento entre la fuente de señal y el divisor bloquea el DC mientras pasa el AC, permitiendo un sesgo adecuado.

El análisis de superposición muestra que el componente AC pasa a través del capacitor a R₃, mientras que el divisor DC permanece aislado durante el sesgo. El sesgo resultante es aproximadamente 2,3 V DC más la señal AC de 1,5 V, como se desea.

Simulación SPICE del amplificador sesgado con divisor:

 voltage divider biasing vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 8466 r3 5 0 1533 q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

La simulación inicial muestra distorsión debido a la carga del divisor de voltaje por la base del transistor. Ajustando R₂ y R₃ (p. ej., R₂ = 6 kΩ, R₃ = 4 kΩ) se restaura el sesgo de 2,3 V y se elimina la distorsión.

 voltage divider biasing vinput 1 0 sin (0 1.5 2021122111551917.jpg 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 6k <--- R2 decreased to 6 k r3 5 0 4k <--- R3 increased to 4 k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Conclusiones clave

• Clase A – Conducción de ciclo completo; reproducción precisa de forma de onda; alta disipación de calor.
• Clase B – Conducción de medio ciclo; eficiente cuando se empareja como push-pull; adecuada para audio de alta potencia.
• Clase AB – Híbrida; equilibra linealidad y eficiencia.
• Clase C – Ultra-eficiente para RF de frecuencia fija; requiere circuito tanque resonante.
• Clase D – PWM de alta frecuencia; disipación mínima en modo activo; excelente eficiencia para audio e inversores industriales.
• El sesgo mediante divisores de voltaje con capacitores de acoplamiento es preferible a baterías externas para estabilidad.

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