ADIÓS CLASE "E": BIENVENIDA CLASE D INVERSA "1/D"

ACTUALIZACIÓN 11/12/23: Artículo didáctico de LU5BBB (Jorge) para descargar. PCB para imprimir. Recomendable!!

Les comparto aquí algo de información sobre un tipo de amplificador de RF que vengo experimentando desde 2019, algo que si bien existe desde hace muchos años, no adoptó la popularidad que tiene el famoso amplificador Clase E, al menos hasta el momento (2021). Si bien es cierto que pueden encontrarse varios diseños amateur en la web e incluso se ofrecen comercialmente transmisores completos, aún no ha podido desterrar al rey amplificador, el Clase E, cuyo uso en AM/CW a nivel amateur es masivo, y no está popularizado -repito- ni a nivel internacional ni mucho menos en el cono sudamericano.  

Se trata del amplificador Clase D, aunque correctamente denominado Clase D Inversa o Clase 1/D. También se lo llama CMCD (Current Mode Class D, o Clase D operando en Modo Corriente o Fuente de Corriente), aunque también puede ser encontrado con el nombre Clase E/F-odd (por tener propiedades del clase E y del clase "F Inversa" 1/F)

Realmente es necesario diferenciarlos entre ellos (entre D y 1/D). El clase D se lo denomina correctamente VMCD (Voltage Mode Class D) y es el mismo tipo de amplificador que se utiliza en los amplificadores de audio PWM. Este tipo de amplificador tiene limitaciones en frecuencias altas debidas a la imposibilidad de lograr un apropiado ZVS (Zero Voltage Switching) o Conmutación a Cero Voltaje en sus terminales de salida, debido a la capacidad de salida "Coss" de los semiconductores. Como el VMCD opera con carga resistiva, la capacidad intrínseca de los semiconductores estará presente siempre y no dispone de ningún método práctico o fácil para lograr el ZVS. Cabe la aclaración que con nuevas tecnologías de semiconductores, este tipo de amplificador podrá lograr mejores desempeños en etapas de RF de frecuencias cada vez más altas.

Asimismo, con componentes comerciales convencionales, hay diseños amateur hasta 3,5Mhz con buena eficiencia, pero ya en 40m no es tan así. Este tipo de amplificador es popular en transmisores de Onda Media y suelen tener una topología de Puente "H" utilizando transformadores de banda ancha.

Volviendo al Clase 1/D, los diseños que pueden encontrarse en la web utilizan transformadores toroidales en su salida y excitadores de estado sólido (a algunos les gusta llamar a este tipo de excitación "excitación digital"): En realidad ya sea utilizando excitador de estado sólido como excitación senoidal, ambos métodos excitan fuertemente al dispositivo amplificador, la única diferencia es que el excitador de estado sólido permite ser utilizado en banda ancha, sin necesidad de implementar circuitos adaptadores.
Si bien estos materiales comentados previamente ya se consiguen en nuestro país, mi idea era construir una etapa que sea sencilla, con pocos componentes y que fuera muy fácil de poner en clase, más fácil que una etapa en Clase E. (Quedará para más adelante la utilización de los drivers banda ancha y toroides). 

El amplificador clase 1/D, tiene varias ventajas sobre el popular amplificador Clase E, muy experimentado este último entre nosotros los radioaficionados que hacemos AM, estas son:

1. Mayor factor de utilización de potencia de los Mosfets: Menor voltaje pico en Drain (3,14*VDC) contra (3,56*VDC para el Clase E) y menor o similar corriente RMS de Drain que el Clase E
2. Igual o mayor eficiencia de Salida (93-94% contra 91-92% del Clase E) y mayor PAE (Power Added Efficiency) es decir considerando también la potencia de excitación. 
3. Mayor facilidad de ajuste o puesta en clase.
4. Menor cantidad de componentes pasivos.
5. Con alguna modificación menor podría utilizarse como amplificador lineal

Como desventajas -si es que pueden considerarse como tal- se tiene que:

1. Se requiere un número par de dispositivos semiconductores (2, 4, 6 etc)
2. Se requiere un Balún de corriente 1:1 a la salida, aunque puede construirse perfectamente con una varilla de ferrite y un bobinado bifilar, nada difícil de construír.
   
   

ESQUEMA BÁSICO:

El circuito trabaja como un Push-Pull, con la excitación de T1 y T2 desfasadas 180°, quiere decir que cuando un mosfet conduce, el otro se encuentra abierto y viceversa. 

Fig 1 - Esquema Básico y Formas de Onda 

TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO:

La forma más ordenada y clara de entender su funcionamiento sería estudiar primero los amplificadores Clase F y 1/F (Clase F Inversa). 

CLASE F:

Fig 2. Amplificador Clase F - Esquema básico y formas de onda [1]

Como el principal objetivo para aumentar la eficiencia en todo amplificador de RF es evitar tanto como sea posible la existencia instantánea de voltaje y corriente presentes al momento de la conmutación en bornes de salida de los dispositivos, en el caso del tipo F, se implementa utilizando una serie de filtros sintonizados, más precisamente filtros resonantes paralelos a los armónicos impares (circuitos abiertos a los armónicos impares) para conformar una onda senoidal de corriente, ya que la única frecuencia que podrá circular a la carga será la fundamental.
Por otra parte, el voltaje en bornes del transistor será una forma de onda cuadrada, ya que se tiene el dispositivo fuertemente excitado al corte y a la saturación, y se tiene entre la fuente de alimentación y el dispositivo un choque de RF que es un circuito abierto para cualquier frecuencia excepto para la contínua (por el choque circulará corriente contínua si se encuentra bien diseñado). 

Fig 3. Clase F con un N° finito de filtros

La figura 3 muestra el caso NO IDEAL de un clase F cuando el número de filtros es reducido, por ejemplo el caso que se implemente el filtrado del 3er y 5to armónico únicamente. (A medida que se agregan filtros, se agregan armónicos impares, convirtiéndose la forma de voltaje cada vez más parecida a una onda cuadrada)

A medida que se aumenta el número de filtros sintonizados el área en rojo (solapamiento de voltaje y corriente) se va reduciendo, esto se traduce en un aumento de eficiencia. Otro tema importante a notar es la capacidad de salida Coss del transistor, que impedirá lograr la condición ZVS. En realidad podría encontrarse una solución para que forme parte de la sintonía de los resonadores, pero complicaría bastante la circuitería.
Claramente puede intuirse que la implementación de este tipo de amplificador no es práctica dada la cantidad de filtros necesarios para llegar a la condición ideal o cercana a la ideal.

CLASE 1/F:

Otra manera de aumentar la eficiencia con este método (una onda senoidal y la otra cuadrada) es realizando lo opuesto, es decir, en lugar de bloquear hacia la carga los armónicos impares introduciendo circuitos abiertos camino a ésta y dejar pasar la fundamental con sus armónicos pares (que serán estos últimos atenuados gracias al último filtro paralelo presente en la carga), es: cortocircuitar a masa los armónicos impares y dejar pasar a la rama de la carga solamente la frecuencia fundamental y sus armónicos pares, aunque estos últimos serán bloqueados por el último filtro serie de la carga.

Las formas de onda para este último arreglo será una forma de onda cuadrada para la corriente y una senoidal para la tensión: recordar que un transistor excitado al corte y a la saturación, teniendo entre éste y la fuente de alimentación un choque de radiofrecuencia ideal, hace las veces de generador de corriente constante, y teniendo una carga que permite que se derive a masa todos sus armónicos, asegura que la corriente sea perfectamente cuadrada. Sin embargo, la señal de frecuencia fundamental no se derivará a masa y se presentará en la carga, y gracias a su filtro resonante serie hará que la forma de onda de voltaje y corriente sobre la misma obviamente sean senoidales.

 En la figura 4 se representa el amplificador Clase 1/F:

Fig 4 - Amplificador Clase 1/F - Esquema básico y formas de onda

AMPLIFICADOR CLASE "1/D" O "CMCD" O "E/F-odd":

Fig 5 - Amplificador VMCD [1]

CLASE D (VMCD):

Veamos primero el esquema básico del amplificador Clase D típico (VMCD). Se trata de un Medio Puente alimentando un filtro pasabanda sintonizado a la frecuencia de la portadora de trabajo. El esquema es muy similar al típico amplificador de audio PWM, sólo que en este último se tiene a la salida un filtro pasabajos en lugar de un filtro resonante a la frecuencia de operación de RF. Este circuito tendrá una forma de onda de voltaje VDS cuadrada  y una forma de onda de corriente IDS senoidal, ya que la única frecuencia que llegará a la carga será la frecuencia de operación debido a la presencia del filtro. 
Este esquema tiene varias limitaciones de operación en alta frecuencia ya que no puede lograrse la condición ZVS debido a que las capacidades parásitas de los transistores no pueden absorberse en la red de salida, no formarán parte de ningún circuito sintonizado, y al momento del encendido o conducción de los dispositivos, los mismos se encontrarán cargados, existiendo en ese momento un producto instantáneo de voltaje y corriente, generando calor y reduciendo su eficiencia. Sin embargo, esta topología SÍ puede cumplir con la otra condición importante denominada ZCS (zero current switching) al momento del apagado del dispositivo, y esto es porque la inductancia parásita puede formar parte o sumarse a la inductancia del filtro de salida, sin embargo, las pérdidas durante el apagado, o dicho de otra forma, las pérdidas por no cumplir la condición ZCS no son apreciables en general, ya que las inductancias parásitas son despreciables comparadas a las capacidades parásitas, es por eso que la atención se concentra siempre en lograr la condición ZVS [2]. El amplificador clase F también puede ser capaz de lograr la condición ZCS y no la ZVS

CLASE 1/D (CMCD o E/Fodd):

Podría decirse que este circuito está formado por dos amplificadores Clase 1/F enfrentados (de ahí que se lo suela llamar también Clase E/Fodd). El sub-índice "odd" o "impares" se agrega para aclarar qué armónicos serán cortocircuitados o atenuados (en este caso todos los impares). Pero también existen otros métodos de sintonía como ejemplo el Clase E/F3,5 singnificando que solo se cortocircuitan los armónicos 3 y 5, o el clase E/F2,odd significando que el tanque estará sintonizado al segundo armónico (no a la fundamental) y que se cortocircuitarán todos los impares. Existen innumerables posibilidades, y cada una de ellas modifica la forma de onda de corriente para lograr mejor eficiencia. Ver [4] y [5].

Fig 6 - Amplificador CMCD

Cuando un transistor se encuentra conduciendo, el nodo al cual se encuentra conectado se encuentra tierra, de modo que el transistor abierto en conjunto con el choque RFC (generador de corriente constante) tendrá como carga el circuito sintonizado formado por RL, Lf y (Cf+CDS), el cual es un circuito abierto a la frecuencia de trabajo y un cortocircuito a tierra para el resto de las frecuencias: las frecuencias más altas se verán cortocircuitadas por el capacitor del tanque Cf  y las más bajas se verán cortocircuitadas por Lf. Esto hace que todos los armónicos excepto la fundamental se cortocircuiten a masa (onda cuadrada de corriente) y sólo la fundamental se vea en bornes de la carga (tanque), teniendo ésta por supuesto una forma senoidal. Observar que lo mismo sucede en el amplificador Clase 1/F. Las capacidades parásitas pasarán a formar parte del circuito sintonizado principal, encontrándose las condiciones ZVS fácilmente. 

Refiriéndose al circuito de la Figura 6, cuando el transistor T1 se encuentra conduciendo, el nodo A se encuentra a tierra y el capacitor CDS de T1 se encuentra cortocircuitado, con lo cual el capacitor CDS de T2 quedará en paralelo a Cf formando un capacitor equivalente en el circuito tanque. Esta capacidad equivalente deberá resonar con Lf a la frecuencia de trabajo. Lo mismo sucederá cuando se cierre T2 y se abra T1. CDS de T1 ahora formará parte del circuito sintonizado.

Fig 7 - Circulación de Corriente

Con respecto a las corrientes, como cada transistor con su choque funcionan como generadores de corriente contínua, y por cada choque circulará la mitad de la corriente que se consume desde la fuente (IFUENTE = I + I = 2I), la corriente total máxima que circulará por cada dispositivo, será la misma IFUENTE que se consume de la fuente, ya que tanto sea en el nodo A (con T1 cerrado y T2 abierto) o en el Nodo B (cuando T1 esté abierto y T2 cerrado) la corriente será sumada dando como resultado el mismo valor IDC DE FUENTE [3]. Ver figura 7. Si bien podría suponerse que para una corriente dada que se consume de fuente la corriente máxima que circula por cada dispositivo parecería menos (2*IDC) comparada con un clase E (3,56*IDC), lo cierto es que en el clase 1/D la corriente es cuadrada (aunque como se verá más adelante esta forma diferirá de la forma cuadrada ideal), y en el clase E es media onda casi senoidal. En resumen, la corriente RMS es similar comparando ambos amplificadores.

ECUACIONES DE DISEÑO: 

Simplificando lo más posible, se plantean directamente las tensiones en los bornes A (V1) y B (V2)

De estas ecuaciones extraemos un dato importante, es que el voltaje máximo en cada dispositivo es Vpk = 3,14 * VDC, con lo cual, como se planteó en las ventajas de este tipo de amplificador, los transistores sufrirán menos estrés de voltaje, permitiendo también poder utilizar voltajes de fuente mayores o dispositivos de menor voltaje de ruptura. (En las etapas Clase E, se usa generalmente 60 a 65V ya que, 65V * 3,6 * 2 = 468 < 500V (tensión máxima de trabajo de un mosfet). Se multiplicó por 3,6 porque es el voltaje pico de estrés de una etapa operando en clase E, y por 2 porque al modular al 100% en amplitud se duplica esa tensión.

Para un Clase D Inversa, podemos calcular el voltaje máximo que podríamos usar como fuente para un Mosfet de 500V:

Por supuesto que es aconsejable dejar un margen de seguridad, pero podríamos utilizar una fuente de 140V - 145V tranquilamente.

Las corrientes circulantes por cada dispositivo serán:

En donde ICS es la corriente circulando por la capacidad intrínseca Coss o Cs de los dispositivos, e Idc es la corriente de contínua circulando por cada choque de RF. Dicho de otra forma, la corriente DC que circula por el choque se divide entre el mosfet propiamente dicho (Is) y su capacidad intrínseca (Ics). En realidad toda la corriente entra al dispositivo aunque su comportamiento sea diferente internamente. El valor de ICS depende principalmente de el valor de VDC y de la reactancia capacitiva de CS. Estas son las ecuaciones que la describen:

Es importante saber que, para dispositivos ideales (con capacidad intrínseca nula), la corriente circulante tendrá la forma de onda cuadrada ideal con un valor pico Ipk = 2 * Idc, siendo Idc la corriente contínua que circula por cada choque. Como se tienen 2 choques unidos a la alimentación IDC = 2 * Idc, pudiendo decir que Ipk = IDC, siendo IDC la corriente que consume la etapa.
Sin embargo, en dispositivos NO ideales, estas capacidades son importantes y la onda de corriente tomará la forma de la figura 8, y esto es debido a que estas capacidades forman parte del tanque de salida (recordar que los mosfets en el semiciclo que no conducen quedan conectadas sus capacidades al tanque), con lo cual se tiene la componente fundamental de corriente circulando por éstos, por momento restándose y por momentos sumándose a la corriente continua. De aquí se puede deducir que:

1)-  La corriente para dispositivos ideales, al ser una forma de onda cuadrada, tiene como corriente pico Ipk = IDC, y una IRMS = IDC / 2. Sin embargo para dispositivos con capacidad parásita Coss, la corriente pico será mayor y el valor de corriente RMS será similar a la corriente RMS que circula por una etapa clase E. (queda en el tintero deducir una ecuación para esta corriente).

2)-  El voltaje pico como se dijo anteriormente es Vpk = 3,14 * VDC

Fig 8 - Ondas de Corriente y Voltaje para un Clase D Inversa o CMCD o E/Fodd

El valor de la Resistencia de Carga RL se puede extraer partiendo de la fórmula ya conocida de potencia y tensión:

Sabiendo que el voltaje pico en la carga es igual al voltaje pico en Drain, y teniendo la relación ya declarada de que Vpk = 3,14*VDC, reemplazando en la ecuación anterior se tiene:

De esta ecuación, despejamos RL para conocer el valor de carga con el que deberá trabajar la etapa en función de la potencia que queremos extraer de la misma, para un voltaje de alimentación dado (en la práctica este valor puede ser algo menor para lograr la potencia deseada):

Suponiendo en principio una Eficiencia de 92% y utilizando la ecuación que define la eficiencia en la ecuación de la potencia de CC:

 

Se obtiene la corriente que consumirá la etapa:

El tanque de salida tendrá un Q que se calcula con la ecuación del Q de un circuito tanque paralelo: RP/XP:

O expresado con sus igualdades, estas son que XLTANQUE = XLf (ya que pueden despreciarse las inductancias parásitas del dispositivo) y XCTANQUE = XCf + XCoss :

De aquí se puede obtener el valor de Lf en función del Q (llamado QL de ahora en más, por ser el Q bajo carga o QLOADED). Hay bastante para hablar sobre el Q, pero por lo pronto utilizaremos valores de 0,5 a 1,5 dando óptimos resultados:

El valor de la capacidad del tanque la calcularemos teniendo en cuenta (restando) la capacidad intrínseca del dispositivo a utilizar, dicho de otra forma, la capacidad del tanque (Cf) estará formada por :

Con estas ecuaciones podemos calcular los componentes principales de la etapa Clase 1/D.

CIRCUITO: 

PCB: Más adelante cargaré el modelo hecho con un software de diseño y agregaré la posición de cada componente, pero por lo pronto servirá de guía para aquellos que quieran experimentarlo a la brevedad. La placa tiene un tamaño de 10 x 10cm, y no es necesario realizar perforaciones.

AGUNAS FOTOS Y VIDEOS:

La bobina del tanque Lf la rediseñé en 3 espiras juntas (pueden ser 4 vueltas con espiras estiradas)

Formas de Onda de Drain (rojo) y de Salida (amarillo). Voltaje pico (232V)
correspondiente a una tensión de fuente de 75V  

Esta entrada seguirá actualizándose...cualquier sugerencia o error encontrado comentar debajo... Saludos!!! LU5HAH

COLEGAS QUE ARMARON LA ETAPA...

REFERENCIAS:

[1] - CMOS-RF Power Amplifier for Wireless Communications - Daniel José Azevedo Oliveira

[2] - Design of a Current-Mode Class-D Power Amplifier in RF-CMOS - Daniel Oliveira, Cándido Duarte, Vítor Grade Tavares, and Pedro Guedes de Oliveira

[3] - RF Power Amplifiers - Marian Kazimierczuk

[4] - The Class E/F Family of Harmonic-Tuned Switching Power Amplifiers - Scott Kee

[5] - The Class-E/F Family of ZVS Switching Amplifiers - Scott Kee, Ichiro Aoki, Ali Hajimiri, David Rutledge