Principio de funcionamiento y explicación del circuito del amplificador de clase A
Principio de funcionamiento y explicación del circuito del amplificador de clase A
Tema de hoy: Amplificadores de clase A, cálculo de la eficiencia del amplificador de clase A, principio de amplificación de clase A y ventajas y desventajas de los amplificadores de clase A.
1. Amplificador de clase A
La configuración de amplificador de potencia más común es la de clase A. Un amplificador de clase A es la forma más simple de amplificador de potencia. Utiliza un único transistor de conmutación en una configuración de circuito emisor común estándar para producir una salida invertida.
El transistor siempre está polarizado en estado "encendido" para que conduzca durante todo el ciclo de la forma de onda de la señal de entrada, lo que resulta en una distorsión mínima y una amplitud de señal máxima en la salida.
Esto significa que la configuración del amplificador de clase A es un modo de funcionamiento ideal, ya que no hay distorsión de cruce ni de corte en la forma de onda de salida, incluso durante el semiciclo negativo.
La etapa de salida de un amplificador de potencia de clase A puede utilizar un único transistor de potencia o un par de transistores conectados entre sí para compartir una alta corriente de carga.
2. Cálculo de la eficiencia de un amplificador de clase A
La eficiencia de un amplificador de potencia se indica a continuación:
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η% — eficiencia del amplificador
Pout — potencia de salida suministrada a la carga
Pdc — potencia de CC extraída de la fuente de alimentación
Para los amplificadores de potencia, un buen diseño de la fuente de alimentación es fundamental, ya que proporciona la máxima potencia continua disponible para la señal de salida.
El siguiente diagrama muestra una red divisora de tensión:
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En la figura anterior, un transistor BJT con ganancia de corriente β se polariza mediante un divisor de tensión. El divisor consta de dos resistencias, R1 y R2, conectadas a la rama de base.
Cuando no se aplica ninguna señal de CA, la corriente y la tensión del colector (IC0, VC0) determinan el punto de operación o punto de reposo (punto Q) del amplificador. El punto de reposo es muy importante, ya que su posición en la característica de salida determina el ángulo de conducción y, por lo tanto, la clase de amplificador.
Estos valores (IC0, VC0) se pueden ajustar seleccionando los valores adecuados de la resistencia de polarización y la resistencia del emisor. En la práctica, la corriente del colector IC0 viene dada por:
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Podemos identificar claramente los dos parámetros en la Fórmula 2:
0,7 V corresponde a la tensión base-emisor VBE, que es la tensión umbral de un transistor de silicio.
La resistencia R1 // R2 es la resistencia paralela equivalente del circuito de polarización, dada por (R1 × R2) / (R1 + R2).
La tensión del colector VC0 satisface:
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Una característica clave de los amplificadores de Clase A es un ángulo de conducción de 360°. Para lograr esto, el punto de reposo de un amplificador de Clase A se elige en el punto medio de la línea de carga, como se muestra a continuación:
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El punto de reposo satisface:IC0 = Vsupply / (2RC) VC0 = Vsupply / 2
Estas ecuaciones, junto con las fórmulas anteriores, permiten seleccionar adecuadamente las resistencias de polarización para obtener un amplificador de Clase A.
La potencia absorbida por un amplificador de Clase A es constante e igual a:Pabs = Vsupply × IC0
La potencia de salida es el producto de la corriente y la tensión de salida RMS:Pout = Vout,rms × Iout,rms
Cuando la corriente de salida alcanza el límite superior IC0 y la tensión de salida alcanza la tensión de alimentación Vsupply, la potencia de salida máxima es:Pout,max = (Vsupply × IC0) / 2
Por lo tanto, la eficiencia máxima es:
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En la práctica, la eficiencia ronda entre el 20 % y el 30 %, y con una configuración de dos transistores puede alcanzar el 50 %. Esta baja eficiencia pone de manifiesto que un amplificador de clase A consume energía incluso sin aplicarle una señal de entrada de CA.
3. Principio del amplificador de clase A
La siguiente figura muestra las formas de onda de un amplificador de clase A. La primera forma de onda corresponde a la entrada real que controla la base del transistor, y la segunda forma de onda es la corriente de colector resultante Ic que fluye como consecuencia de dicha entrada.
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l eje Y u horizontal representa el ángulo de conducción. En la figura, se observa claramente que la corriente del colector Ic fluye a lo largo de los 360 grados de la señal de entrada.
Por lo tanto, el amplificador está siempre encendido, lo que explica por qué la eficiencia de un amplificador de Clase A es muy baja, alrededor del 25 % al 30 %. Sin embargo, por esta razón, este tipo de amplificador proporciona una alta ganancia.
Los amplificadores de Clase A se utilizan como amplificadores lineales porque la salida es una réplica (más precisamente, una réplica amplificada) de la señal de entrada. No obstante, cabe destacar que el transistor de operación nunca debe saturarse ni alcanzar el punto de corte debido a la señal de entrada. Si esto ocurre por cualquier motivo, la forma de onda de salida presentará picos aplanados.
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El circuito mostrado arriba es un amplificador de clase A de emisor común. Primero, las resistencias de polarización R1 y R2 se reemplazan por una única resistencia variable Rb. R3 se denomina Rc. Se eliminan R4 y el condensador de desacoplo.
Al ajustar Rb, el punto de operación (punto Q) se desplaza a lo largo de la recta de carga hasta alcanzar el centro.
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El modelo anterior muestra la recta de carga centrada en el punto Q. VCEQ se comporta de forma casi idéntica a VCE, con la diferencia de que representa un valor específico en lugar de un rango. Lo mismo ocurre con ICQ e IC.
4. Circuitos amplificadores de clase A
1) Configuración básica de emisor común en clase A
Aquí se ilustra la configuración básica de un amplificador de clase A utilizando el CEAA como ejemplo. La etapa de salida del CEAA se muestra a continuación:
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Esta es la configuración más básica de un amplificador de potencia de Clase A. Nótese que la resistencia de carga RL está conectada directamente a la rama del colector. Esta configuración se denomina CEAA básica del amplificador de Clase A de emisor común.
La siguiente figura muestra cómo se puede descomponer la señal de salida en dos componentes: una señal de polarización de CC y una señal amplificada de CA.
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La señal de salida mostrada arriba se puede descomponer intuitivamente en un componente de CC (VC0, IC0) y un componente de CA (vC(t), iC(t)), lo que nos permite escribir las señales de salida totales VC(t) e IC(t):
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Para una carga puramente resistiva en el circuito,vC(t) = VAC × sin(ωt) iC(t) = −IAC × sin(ωt)
El símbolo ω representa la frecuencia angular:ω = 2πf
La potencia instantánea absorbida por la carga PL(t) proviene de la contribución de la señal de polarización y la señal de CA:PL(t) = (Vsuministro − VC(t)) × IC(t)
Al integrar durante un periodo de señal, se puede demostrar que la potencia absorbida promedio PL consta de un componente de potencia continua PL,DC debido a la polarización y un componente de potencia alterna útil PL,AC debido a la variación de la señal en la carga:
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La potencia total suministrada al amplificador Ptot proviene de la fuente de alimentación de CC:Ptot = Vsupply × IC0
Por lo tanto, la eficiencia de la configuración de circuito anterior es la relación entre la potencia útil y la potencia total suministrada:η = PL,AC / Ptot
A partir de la expresión de PL,AC en la Fórmula 2, se observa que la eficiencia se maximiza cuando VAC e IAC alcanzan sus valores máximos, es decir:VAC,max = Vsupply / 2 = VC0 IAC,max = IC0
Por consiguiente, la eficiencia máxima es:
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Toda la información expuesta anteriormente se puede resumir en el siguiente diagrama:
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El área azul claro representa la potencia total Ptot suministrada al sistema. Se observa claramente que la potencia útil PL,AC (verde claro) absorbida para la amplificación representa solo una pequeña parte de Ptot.
Para superar esta baja eficiencia, una solución consiste en acoplar la rama del colector con un transformador, lo que nos lleva a la siguiente sección.
2) Configuración del transistor Darlington
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La ganancia de corriente total Beta (β) o hfe de un dispositivo Darlington es el producto de las ganancias individuales de los dos transistores. En comparación con un circuito de un solo transistor, se pueden obtener valores de β muy altos y corrientes de colector elevadas.
Para mejorar la eficiencia a plena potencia de un amplificador de Clase A, se puede diseñar un circuito con un transformador conectado directamente al circuito del colector, formando un amplificador acoplado por transformador.
Al ajustar la impedancia de carga con la impedancia de salida del amplificador mediante la relación de espiras del transformador (n), se mejora la eficiencia. A continuación se muestra un ejemplo.
3) Circuito Amplificador Acoplado por Transformador
Aquí presentamos otra configuración CEAA que utiliza un transformador. Esta configuración se denomina CEAA acoplado por transformador. La etapa de salida de esta arquitectura se muestra a continuación:
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Primero, una breve introducción al transformador. Es un componente pasivo que transfiere energía entre dos circuitos desacoplados y generalmente funciona con dos inductores enrollados alrededor de un núcleo magnético. El devanado primario tiene n1 espiras y el secundario tiene n2 espiras.
Las señales de entrada (VC, IC) y de salida (VL, IL) del transformador cumplen con:
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Debido al transformador, la carga se desacopla de la rama del colector, lo que provoca un cambio en el punto de operación del amplificador. De hecho, no se inserta ninguna resistencia entre la fuente de alimentación y la rama del colector.
Dado que un inductor no bloquea la tensión continua, la resistencia de CC del transformador puede considerarse cero.
En el amplificador de corriente continua básico (CEAA), la tensión de polarización es VC0 = Vsupply / 2. Por las razones mencionadas anteriormente, en el CEAA acoplado por transformador, la tensión de polarización pasa a ser:VC0 = Vsupply
La pendiente de la recta de carga viene dada por −1 / R′L, donde R′L es la carga aparente en el circuito primario.
La carga aparente se define como R′L = VC / IC. De las ecuaciones anteriores, sabemos que VC = N × VL e IC = IL / N. Por lo tanto, la carga aparente viene dada por:
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Como se muestra en el diagrama de forma de onda, para el CEAA básico, la señal de salida del CEAA acoplado por transformador se puede descomponer en un componente de CC (Vsupply, IC0) y un componente de CA (VAC, IAC).
Considerando toda esta información, el diagrama de distribución de potencia del CEAA acoplado por transformador se muestra a continuación:
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Al comparar ambos diagramas, se observa claramente que, en la configuración acoplada por transformador, la proporción del área verde claro que representa la potencia útil absorbida para la amplificación es mucho mayor.
Cuando VAC e IAC alcanzan sus valores máximos, la eficiencia también se maximiza. En este caso:VAC,máx = Vsuministro IAC,máx = IC0
Por lo tanto, la eficiencia máxima ηmáx del amplificador de potencia de entrada acoplado por transformador viene dada por:
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En comparación con la configuración CEAA básica, esta configuración duplica la eficiencia. Por lo tanto, cuando la etapa de salida de un amplificador de Clase A está acoplada por transformador, se puede lograr una eficiencia ideal del 50 %.
5. Ventajas y desventajas de los amplificadores de Clase A
1) Ventajas de los amplificadores de Clase A
Dado que la salida reproduce con precisión la señal de entrada, ofrece alta fidelidad.
La respuesta en alta frecuencia mejora porque el dispositivo activo está siempre encendido y no requiere tiempo de activación.
No hay distorsión de cruce porque el dispositivo activo conduce durante todo el ciclo de la señal de entrada.
Las configuraciones de terminación simple son fáciles y prácticas de implementar en amplificadores de Clase A.
2) Desventajas de los amplificadores de Clase A
Los amplificadores de Clase A son caros y voluminosos debido a las grandes fuentes de alimentación y disipadores de calor.
Tienen una eficiencia muy baja.
El acoplamiento por transformador tiene una respuesta en frecuencia relativamente deficiente.
Tema de hoy: Amplificadores de clase A, cálculo de la eficiencia del amplificador de clase A, principio de amplificación de clase A y ventajas y desventajas de los amplificadores de clase A.
1. Amplificador de clase A
La configuración de amplificador de potencia más común es la de clase A. Un amplificador de clase A es la forma más simple de amplificador de potencia. Utiliza un único transistor de conmutación en una configuración de circuito emisor común estándar para producir una salida invertida.
El transistor siempre está polarizado en estado "encendido" para que conduzca durante todo el ciclo de la forma de onda de la señal de entrada, lo que resulta en una distorsión mínima y una amplitud de señal máxima en la salida.
Esto significa que la configuración del amplificador de clase A es un modo de funcionamiento ideal, ya que no hay distorsión de cruce ni de corte en la forma de onda de salida, incluso durante el semiciclo negativo.
La etapa de salida de un amplificador de potencia de clase A puede utilizar un único transistor de potencia o un par de transistores conectados entre sí para compartir una alta corriente de carga.
2. Cálculo de la eficiencia de un amplificador de clase A
La eficiencia de un amplificador de potencia se indica a continuación:
η% — eficiencia del amplificador
Pout — potencia de salida suministrada a la carga
Pdc — potencia de CC extraída de la fuente de alimentación
Para los amplificadores de potencia, un buen diseño de la fuente de alimentación es fundamental, ya que proporciona la máxima potencia continua disponible para la señal de salida.
El siguiente diagrama muestra una red divisora de tensión:
En la figura anterior, un transistor BJT con ganancia de corriente β se polariza mediante un divisor de tensión. El divisor consta de dos resistencias, R1 y R2, conectadas a la rama de base.
Cuando no se aplica ninguna señal de CA, la corriente y la tensión del colector (IC0, VC0) determinan el punto de operación o punto de reposo (punto Q) del amplificador. El punto de reposo es muy importante, ya que su posición en la característica de salida determina el ángulo de conducción y, por lo tanto, la clase de amplificador.
Estos valores (IC0, VC0) se pueden ajustar seleccionando los valores adecuados de la resistencia de polarización y la resistencia del emisor. En la práctica, la corriente del colector IC0 viene dada por:
Podemos identificar claramente los dos parámetros en la Fórmula 2:
0,7 V corresponde a la tensión base-emisor VBE, que es la tensión umbral de un transistor de silicio.
La resistencia R1 // R2 es la resistencia paralela equivalente del circuito de polarización, dada por (R1 × R2) / (R1 + R2).
La tensión del colector VC0 satisface:
Una característica clave de los amplificadores de Clase A es un ángulo de conducción de 360°. Para lograr esto, el punto de reposo de un amplificador de Clase A se elige en el punto medio de la línea de carga, como se muestra a continuación:
El punto de reposo satisface:IC0 = Vsupply / (2RC) VC0 = Vsupply / 2
Estas ecuaciones, junto con las fórmulas anteriores, permiten seleccionar adecuadamente las resistencias de polarización para obtener un amplificador de Clase A.
La potencia absorbida por un amplificador de Clase A es constante e igual a:Pabs = Vsupply × IC0
La potencia de salida es el producto de la corriente y la tensión de salida RMS:Pout = Vout,rms × Iout,rms
Cuando la corriente de salida alcanza el límite superior IC0 y la tensión de salida alcanza la tensión de alimentación Vsupply, la potencia de salida máxima es:Pout,max = (Vsupply × IC0) / 2
Por lo tanto, la eficiencia máxima es:
En la práctica, la eficiencia ronda entre el 20 % y el 30 %, y con una configuración de dos transistores puede alcanzar el 50 %. Esta baja eficiencia pone de manifiesto que un amplificador de clase A consume energía incluso sin aplicarle una señal de entrada de CA.
3. Principio del amplificador de clase A
La siguiente figura muestra las formas de onda de un amplificador de clase A. La primera forma de onda corresponde a la entrada real que controla la base del transistor, y la segunda forma de onda es la corriente de colector resultante Ic que fluye como consecuencia de dicha entrada.
l eje Y u horizontal representa el ángulo de conducción. En la figura, se observa claramente que la corriente del colector Ic fluye a lo largo de los 360 grados de la señal de entrada.
Por lo tanto, el amplificador está siempre encendido, lo que explica por qué la eficiencia de un amplificador de Clase A es muy baja, alrededor del 25 % al 30 %. Sin embargo, por esta razón, este tipo de amplificador proporciona una alta ganancia.
Los amplificadores de Clase A se utilizan como amplificadores lineales porque la salida es una réplica (más precisamente, una réplica amplificada) de la señal de entrada. No obstante, cabe destacar que el transistor de operación nunca debe saturarse ni alcanzar el punto de corte debido a la señal de entrada. Si esto ocurre por cualquier motivo, la forma de onda de salida presentará picos aplanados.
El circuito mostrado arriba es un amplificador de clase A de emisor común. Primero, las resistencias de polarización R1 y R2 se reemplazan por una única resistencia variable Rb. R3 se denomina Rc. Se eliminan R4 y el condensador de desacoplo.
Al ajustar Rb, el punto de operación (punto Q) se desplaza a lo largo de la recta de carga hasta alcanzar el centro.
El modelo anterior muestra la recta de carga centrada en el punto Q. VCEQ se comporta de forma casi idéntica a VCE, con la diferencia de que representa un valor específico en lugar de un rango. Lo mismo ocurre con ICQ e IC.
4. Circuitos amplificadores de clase A
1) Configuración básica de emisor común en clase A
Aquí se ilustra la configuración básica de un amplificador de clase A utilizando el CEAA como ejemplo. La etapa de salida del CEAA se muestra a continuación:
Esta es la configuración más básica de un amplificador de potencia de Clase A. Nótese que la resistencia de carga RL está conectada directamente a la rama del colector. Esta configuración se denomina CEAA básica del amplificador de Clase A de emisor común.
La siguiente figura muestra cómo se puede descomponer la señal de salida en dos componentes: una señal de polarización de CC y una señal amplificada de CA.
La señal de salida mostrada arriba se puede descomponer intuitivamente en un componente de CC (VC0, IC0) y un componente de CA (vC(t), iC(t)), lo que nos permite escribir las señales de salida totales VC(t) e IC(t):
Para una carga puramente resistiva en el circuito,vC(t) = VAC × sin(ωt) iC(t) = −IAC × sin(ωt)
El símbolo ω representa la frecuencia angular:ω = 2πf
La potencia instantánea absorbida por la carga PL(t) proviene de la contribución de la señal de polarización y la señal de CA:PL(t) = (Vsuministro − VC(t)) × IC(t)
Al integrar durante un periodo de señal, se puede demostrar que la potencia absorbida promedio PL consta de un componente de potencia continua PL,DC debido a la polarización y un componente de potencia alterna útil PL,AC debido a la variación de la señal en la carga:
La potencia total suministrada al amplificador Ptot proviene de la fuente de alimentación de CC:Ptot = Vsupply × IC0
Por lo tanto, la eficiencia de la configuración de circuito anterior es la relación entre la potencia útil y la potencia total suministrada:η = PL,AC / Ptot
A partir de la expresión de PL,AC en la Fórmula 2, se observa que la eficiencia se maximiza cuando VAC e IAC alcanzan sus valores máximos, es decir:VAC,max = Vsupply / 2 = VC0 IAC,max = IC0
Por consiguiente, la eficiencia máxima es:
Toda la información expuesta anteriormente se puede resumir en el siguiente diagrama:
El área azul claro representa la potencia total Ptot suministrada al sistema. Se observa claramente que la potencia útil PL,AC (verde claro) absorbida para la amplificación representa solo una pequeña parte de Ptot.
Para superar esta baja eficiencia, una solución consiste en acoplar la rama del colector con un transformador, lo que nos lleva a la siguiente sección.
2) Configuración del transistor Darlington
La ganancia de corriente total Beta (β) o hfe de un dispositivo Darlington es el producto de las ganancias individuales de los dos transistores. En comparación con un circuito de un solo transistor, se pueden obtener valores de β muy altos y corrientes de colector elevadas.
Para mejorar la eficiencia a plena potencia de un amplificador de Clase A, se puede diseñar un circuito con un transformador conectado directamente al circuito del colector, formando un amplificador acoplado por transformador.
Al ajustar la impedancia de carga con la impedancia de salida del amplificador mediante la relación de espiras del transformador (n), se mejora la eficiencia. A continuación se muestra un ejemplo.
3) Circuito Amplificador Acoplado por Transformador
Aquí presentamos otra configuración CEAA que utiliza un transformador. Esta configuración se denomina CEAA acoplado por transformador. La etapa de salida de esta arquitectura se muestra a continuación:
Primero, una breve introducción al transformador. Es un componente pasivo que transfiere energía entre dos circuitos desacoplados y generalmente funciona con dos inductores enrollados alrededor de un núcleo magnético. El devanado primario tiene n1 espiras y el secundario tiene n2 espiras.
Las señales de entrada (VC, IC) y de salida (VL, IL) del transformador cumplen con:
Debido al transformador, la carga se desacopla de la rama del colector, lo que provoca un cambio en el punto de operación del amplificador. De hecho, no se inserta ninguna resistencia entre la fuente de alimentación y la rama del colector.
Dado que un inductor no bloquea la tensión continua, la resistencia de CC del transformador puede considerarse cero.
En el amplificador de corriente continua básico (CEAA), la tensión de polarización es VC0 = Vsupply / 2. Por las razones mencionadas anteriormente, en el CEAA acoplado por transformador, la tensión de polarización pasa a ser:VC0 = Vsupply
La pendiente de la recta de carga viene dada por −1 / R′L, donde R′L es la carga aparente en el circuito primario.
La carga aparente se define como R′L = VC / IC. De las ecuaciones anteriores, sabemos que VC = N × VL e IC = IL / N. Por lo tanto, la carga aparente viene dada por:
Como se muestra en el diagrama de forma de onda, para el CEAA básico, la señal de salida del CEAA acoplado por transformador se puede descomponer en un componente de CC (Vsupply, IC0) y un componente de CA (VAC, IAC).
Considerando toda esta información, el diagrama de distribución de potencia del CEAA acoplado por transformador se muestra a continuación:
Al comparar ambos diagramas, se observa claramente que, en la configuración acoplada por transformador, la proporción del área verde claro que representa la potencia útil absorbida para la amplificación es mucho mayor.
Cuando VAC e IAC alcanzan sus valores máximos, la eficiencia también se maximiza. En este caso:VAC,máx = Vsuministro IAC,máx = IC0
Por lo tanto, la eficiencia máxima ηmáx del amplificador de potencia de entrada acoplado por transformador viene dada por:
En comparación con la configuración CEAA básica, esta configuración duplica la eficiencia. Por lo tanto, cuando la etapa de salida de un amplificador de Clase A está acoplada por transformador, se puede lograr una eficiencia ideal del 50 %.
5. Ventajas y desventajas de los amplificadores de Clase A
1) Ventajas de los amplificadores de Clase A
Dado que la salida reproduce con precisión la señal de entrada, ofrece alta fidelidad.
La respuesta en alta frecuencia mejora porque el dispositivo activo está siempre encendido y no requiere tiempo de activación.
No hay distorsión de cruce porque el dispositivo activo conduce durante todo el ciclo de la señal de entrada.
Las configuraciones de terminación simple son fáciles y prácticas de implementar en amplificadores de Clase A.
2) Desventajas de los amplificadores de Clase A
Los amplificadores de Clase A son caros y voluminosos debido a las grandes fuentes de alimentación y disipadores de calor.
Tienen una eficiencia muy baja.
El acoplamiento por transformador tiene una respuesta en frecuencia relativamente deficiente.
07 Apr 2026
