Amplificadores clase F y F-1

 Explorando variedades de amplificadores, toco momento de repasar los clase F en forma conceptual apto para todo público.

Implementación de un amplificador Clase F

Amplificador de Clase F

Descripción del Amplificador Clase F

El amplificador de potencia de Clase F es un tipo de amplificador de radiofrecuencia (RF) que mejora la eficiencia al manipular los armónicos de la señal. Se caracteriza por el uso de circuitos de sintonización armónica para conformar la forma de onda de la señal de salida, mejorando la conversión de potencia y reduciendo las pérdidas en el transistor de conmutación.

Se diferencia de otros amplificadores de RF, como los de Clase A, B y C, porque en lugar de operar el transistor en un régimen lineal o de corte/saturación simple, utiliza redes de resonancia para dar forma a la onda de salida.

Principio de Funcionamiento

• Opera con el transistor en modo conmutación, es decir, alternando entre estados de corte y saturación, lo que minimiza la disipación de potencia.
• Se incorporan circuitos resonantes que refuerzan los armónicos impares (principalmente el tercer y quinto armónico) y suprimen los pares, logrando una forma de onda cuadrada de tensión en la salida.
• Esto reduce significativamente el tiempo en que el transistor está en una región de disipación de potencia alta, aumentando la eficiencia.

Diagrama Amplificador clase F

Forma de onda de un amplificador clase F en tercera armónica

Ventajas del Amplificador Clase F

• Alta eficiencia: Puede alcanzar eficiencias del 80% al 90%, comparado con la eficiencia del 50-60% de un amplificador Clase B o AB.
• Mayor potencia de salida en RF: Es ideal para aplicaciones que requieren alta potencia en transmisión de señales.
• Menos disipación térmica: Gracias a su operación en conmutación y manejo de armónicos, se reducen las pérdidas por calor.

Aplicaciones Comunes

Los amplificadores de Clase F se utilizan principalmente en aplicaciones de radiofrecuencia (RF) y comunicaciones inalámbricas, donde la eficiencia y la potencia de salida son clave. Algunos ejemplos incluyen:

• Estaciones de transmisión de radio y TV (VHF/UHF).
• Comunicaciones satelitales.
• Estaciones base de telefonía móvil (4G/5G).
• Sistemas de radar.
• Transmisores de alta potencia en microondas.

Amplificador clase F utilizado para amplificar señal de TV

El amplificador Clase F es una opción ideal para aplicaciones de RF de alta eficiencia, donde es crucial reducir el consumo de energía y la disipación de calor, manteniendo una potencia de salida elevada.

La principal diferencia entre un amplificador Clase F y un Clase F-1 radica en la forma en que manejan los armónicos para mejorar la eficiencia y la linealidad.

Diagrama Amplificador clase F-1

Diferencias entre Clase F y Clase F-1

Característica	Clase F	Clase F-1
Armónicos utilizados	Usa armónicos impares (3°, 5°, etc.)	Usa armónicos pares (2°, 4°, etc.)
Forma de la onda de voltaje	Aproximación a una onda cuadrada	Aproximación a una onda en forma de media onda sinusoidal
Forma de la onda de corriente	Aproximación a una onda en forma de media onda sinusoidal	Más parecida a una onda cuadrada
Eficiencia máxima teórica	90% - 95%	80% - 85%
Aplicaciones	Radiofrecuencia (RF) en transmisores de alta potencia	Aplicaciones en RF que buscan mejor compromiso entre eficiencia y linealidad
Distorsión armónica	Mayor debido al uso de armónicos impares	Menor distorsión debido al uso de armónicos pares
Diseño del circuito resonante	Requiere filtrado para armónicos impares	Requiere filtrado para armónicos pares

¿Cuál usar?

• Clase F → Se usa cuando se busca máxima eficiencia en transmisores de RF de alta potencia.
• Clase F-1 → Se prefiere cuando se requiere menor distorsión y un mejor compromiso entre eficiencia y linealidad, por ejemplo, en algunos amplificadores de transmisión de datos.

Ambos siguen siendo amplificadores no lineales y no sirven para aplicaciones de audio.

Se pueden usar para audio los Clase F ?

Aunque parece muy obvio e incongruente la pregunta, pero la respuesta es NO, los amplificadores Clase F no son adecuados para audio.

Razones por las que no se usan en audio:

1. No son lineales:

   • Los amplificadores Clase F están diseñados para trabajar en radiofrecuencia (RF), operando en modo de conmutación.
   • En audio, se necesita una respuesta lineal para evitar distorsión en la señal, lo que un Clase F no puede ofrecer.

2. Manejo de armónicos:

   • En RF, los armónicos pueden ser controlados y aprovechados, pero en audio, los armónicos indeseados generarían una distorsión extrema.

3. Funcionamiento a altas frecuencias:

   • Un amplificador Clase F trabaja generalmente en MHz o GHz, mientras que el audio está en la banda de Hz a kHz (20 Hz - 20 kHz).
   • No tiene sentido diseñarlo para audio porque los circuitos resonantes no operarían correctamente en bajas frecuencias.

Alternativas para audio:

Para amplificación de audio, se usan otras clases de amplificadores, como:
✅ Clase A → Alta fidelidad, pero ineficiente.
✅ Clase AB → Equilibrio entre fidelidad y eficiencia.
✅ Clase D → Amplificación en conmutación pero optimizada para audio, alta eficiencia.

En conclusión, el Clase F es excelente para RF, pero completamente inadecuado para audio debido a su falta de linealidad y la generación de armónicos no deseados.

Referencias

• https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-the-class-f-power-amplifier/
• https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-inverse-class-f-power-amplifiers/
• https://catedra.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/electronicos2//download/Apuntes/Teo6.2-AmpliAltoRen.pdf