Clases de amplificadores de potencia

En electrónica , las clases de amplificadores de potencia son símbolos de letras que se aplican a diferentes tipos de amplificadores de potencia . La clase proporciona una indicación amplia de las características y el rendimiento de un amplificador . Las primeras tres clases están relacionadas con el período de tiempo en el que el dispositivo amplificador activo pasa corriente, expresado como una fracción del período de una forma de onda de señal aplicada a la entrada. Esta métrica se conoce como ángulo de conducción (θ). Un amplificador de clase A conduce durante todo el período de la señal (θ = 360°); la clase B solo durante la mitad del período de entrada (θ = 180°), la clase C durante mucho menos de la mitad del período de entrada (θ < 180°). Los amplificadores de clase D operan su dispositivo de salida de manera conmutada; la fracción del tiempo que el dispositivo conduce se puede ajustar para que se pueda obtener una salida de modulación de ancho de pulso (u otra modulación basada en frecuencia) desde la etapa.

Se definen clases de letras adicionales para amplificadores de propósito especial, con elementos activos adicionales, mejoras en la fuente de alimentación o ajuste de salida; a veces, un fabricante también utiliza un nuevo símbolo de letra para promocionar su diseño patentado.

En diciembre de 2010, las clases AB y D dominaban casi todo el mercado de amplificadores de audio, siendo las primeras las preferidas en reproductores de música portátiles, audio doméstico y teléfonos celulares debido al menor costo de los chips de clase AB. ^[1]

Los circuitos amplificadores de potencia (etapas de salida) se clasifican como A, B, AB y C para diseños lineales , y clase D y E para diseños de conmutación. Las clases se basan generalmente en la proporción de cada ciclo de entrada (ángulo de conducción) durante el cual un dispositivo amplificador pasa corriente. ^[2] La imagen del ángulo de conducción se deriva de la amplificación de una señal sinusoidal. Si el dispositivo está siempre encendido, el ángulo de conducción es de 360°. Si está encendido solo durante la mitad de cada ciclo, el ángulo es de 180°. El ángulo de flujo está estrechamente relacionado con la eficiencia energética del amplificador .

En las ilustraciones que aparecen a continuación, se muestra un transistor de unión bipolar como dispositivo amplificador. Sin embargo, se encuentran las mismas características en los MOSFET o tubos de vacío .

En un amplificador de clase A se aprovecha el 100% de la señal de entrada (ángulo de conducción θ = 360°). El elemento activo permanece conductor ^[3] todo el tiempo.

Los dispositivos amplificadores que funcionan en clase A conducen en todo el rango del ciclo de entrada. Un amplificador de clase A se distingue por los dispositivos de la etapa de salida que están polarizados para el funcionamiento de clase A. La subclase A2 a veces se utiliza para referirse a las etapas de clase A de tubo de vacío que impulsan la rejilla ligeramente positiva en los picos de señal para un poco más de potencia que la clase A normal (A1; donde la rejilla siempre es negativa ^{[4] [5]} ). Esto, sin embargo, genera una mayor distorsión de la señal ^{[ cita requerida ]} . Debido a que los transistores polarizados para la clase A esencialmente siempre tienen corriente de drenaje, su eficiencia es baja y se genera calor en el transistor.

• Los diseños de clase A pueden ser más simples que los de otras clases en la medida en que los diseños de clase AB y B requieren dos dispositivos conectados en el circuito ( salida push-pull ), cada uno para manejar la mitad de la forma de onda, mientras que la clase A puede usar un solo dispositivo ( un solo extremo ).
• El elemento amplificador está polarizado de manera que el dispositivo siempre está conduciendo; la corriente de colector quiescente (de pequeña señal) (para BJT ; corriente de drenaje para FET o corriente de ánodo/placa para tubos de vacío) está cerca de la porción más lineal de su curva de transconductancia .
• Como el dispositivo nunca está "apagado", no hay tiempo de "encendido", no hay problemas con el almacenamiento de carga y, en general, hay un mejor rendimiento de alta frecuencia y una mejor estabilidad del bucle de retroalimentación (y, habitualmente, menos armónicos de orden alto).
• El punto en el que el dispositivo está más cerca de estar "apagado" no es en "señal cero", por lo que se evitan los problemas de distorsión de cruce asociados con los diseños de clase AB y B.
• Ideal para niveles de señal bajos de receptores de radio debido a su baja distorsión.

• Los amplificadores de clase A son ineficientes. Se puede obtener una eficiencia teórica máxima del 25% utilizando configuraciones habituales, pero el 50% es el máximo para un transformador o una configuración acoplada inductivamente. ^{[6] [7]} En un amplificador de potencia, esto no solo desperdicia energía y limita el funcionamiento con baterías, sino que aumenta los costos operativos y requiere dispositivos de salida de mayor potencia. La ineficiencia proviene de la corriente permanente, que debe ser aproximadamente la mitad de la corriente de salida máxima, y ​​una gran parte del voltaje de la fuente de alimentación está presente en el dispositivo de salida a niveles de señal bajos. Si se necesita una alta potencia de salida de un circuito de clase A, la fuente de alimentación y el calor que la acompaña se vuelven significativos. Por cada vatio entregado a la carga , el amplificador en sí, en el mejor de los casos, usa un vatio adicional. Para los amplificadores de alta potencia, esto significa fuentes de alimentación y disipadores de calor muy grandes y costosos.
• Debido a que los dispositivos de salida están en pleno funcionamiento en todo momento (a diferencia de un amplificador de clase A/B), no tendrán una vida útil tan larga a menos que el amplificador esté diseñado específicamente para tener esto en cuenta, lo que aumenta el costo de mantenimiento o diseño del amplificador.

Los diseños de amplificadores de potencia de clase A han sido reemplazados en gran medida por diseños más eficientes, aunque su simplicidad los hace populares entre algunos aficionados. Existe un mercado para amplificadores de clase A de alta fidelidad y costosos considerados un "artículo de culto" entre los audiófilos ^[8] principalmente por su ausencia de distorsión de cruce y su reducida distorsión armónica impar y de orden alto . Los amplificadores de potencia de clase A también se utilizan en algunos amplificadores de guitarra "boutique" debido a su calidad tonal única y para reproducir tonos antiguos.

Algunos aficionados que prefieren los amplificadores de clase A también prefieren el uso de diseños de válvulas termoiónicas en lugar de transistores, por varias razones:

• Las etapas de salida de un solo extremo tienen una curva de características de transferencia asimétrica, lo que significa que los armónicos de orden par en la distorsión creada tienden a no cancelarse (como lo hacen en las etapas de salida push-pull ). Para los tubos, o FET , la mayor parte de la distorsión son armónicos de segundo orden, de la característica de transferencia de ley cuadrada , que para algunos produce un sonido "más cálido" y más agradable. ^{[9] [10]}
• Para aquellos que prefieren cifras de distorsión bajas, el uso de tubos con clase A (que generan poca distorsión armónica impar, como se mencionó anteriormente) junto con circuitos simétricos (como etapas de salida push-pull, o etapas balanceadas de bajo nivel) da como resultado la cancelación de la mayoría de los armónicos de distorsión par, y por lo tanto la eliminación de la mayor parte de la distorsión.
• Históricamente, los amplificadores de válvulas se utilizaban a menudo como amplificadores de potencia de clase A simplemente porque las válvulas son grandes y costosas; muchos diseños de clase A utilizan solo un único dispositivo.

Los transistores son mucho menos costosos que los tubos, por lo que los diseños más elaborados que utilizan más piezas siguen siendo menos costosos de fabricar que los diseños con tubos. Una aplicación clásica para un par de dispositivos de clase A es el par de cola larga , que es excepcionalmente lineal y forma la base de muchos circuitos más complejos, incluidos muchos amplificadores de audio y casi todos los amplificadores operacionales .

Los amplificadores de clase A se pueden utilizar en etapas de salida de amplificadores operacionales ^[11] (aunque la precisión de la polarización en amplificadores operacionales de bajo costo como el "741" puede dar como resultado un rendimiento de clase A, clase AB o clase B, que varía de un dispositivo a otro o con la temperatura). A veces se utilizan como amplificadores de potencia de audio de potencia media, baja eficiencia y alto costo. El consumo de energía no está relacionado con la potencia de salida. En reposo (sin entrada), el consumo de energía es esencialmente el mismo que con un volumen de salida alto. El resultado es una baja eficiencia y una alta disipación de calor.

En un amplificador de clase B, el dispositivo activo conduce durante 180 grados del ciclo (ángulo de conducción θ = 180°). Debido a que solo se amplifica la mitad de la forma de onda, hay una distorsión armónica significativa directamente presente en la señal de salida. Por lo tanto, los amplificadores de clase B generalmente funcionan con carga sintonizada, donde los armónicos se cortocircuitan a tierra mediante una serie de resonadores. Otro método para reducir la distorsión, especialmente en frecuencias de audio, es utilizar dos dispositivos transistorizados en una configuración push-pull. Cada uno conduce durante la mitad (180°) del ciclo de la señal y las corrientes del dispositivo se combinan de modo que la corriente de carga sea continua. ^[12]

En radiofrecuencia , si el acoplamiento a la carga se realiza a través de un circuito sintonizado , se puede utilizar un único dispositivo que funcione en clase B, ya que la energía almacenada en el circuito sintonizado suministra la mitad "faltante" de la forma de onda. Los dispositivos que funcionan en clase B se utilizan en amplificadores lineales, llamados así porque la potencia de salida de radiofrecuencia es proporcional al cuadrado de la tensión de excitación de entrada. Esto se entiende más fácilmente si se enuncia como "la tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada, por lo que la potencia de salida es proporcional a la potencia de entrada". Esta característica evita la distorsión de las señales moduladas en amplitud o frecuencia que pasan por el amplificador. Dichos amplificadores tienen una eficiencia de alrededor del 60 %. ^[13]

Cuando los amplificadores de clase B amplifican la señal con dos dispositivos activos, cada uno opera durante la mitad del ciclo. La eficiencia es mucho mejor que la de los amplificadores de clase A. ^[14] Los amplificadores de clase B también son los preferidos en dispositivos que funcionan con baterías, como las radios de transistores . La clase B tiene una eficiencia teórica máxima de π/4 (≈ 78,5%). ^[15]

Un circuito práctico que utiliza elementos de clase B es la etapa push-pull , como la disposición de pares complementarios muy simplificada que se muestra a la derecha. Cada dispositivo complementario se utiliza para amplificar las mitades opuestas de la señal de entrada, que luego se recombina en la salida. Esta disposición ofrece una buena eficiencia, pero suele tener el inconveniente de que hay un pequeño desajuste en la región de cruce, en las "uniones" entre las dos mitades de la señal, ya que un dispositivo de salida tiene que asumir el suministro de energía exactamente cuando el otro termina. Esto se denomina distorsión de cruce . Una mejora es polarizar los dispositivos para que no estén completamente apagados cuando no se utilizan. Este enfoque se denomina operación de clase AB .

En un amplificador de clase AB, el ángulo de conducción es intermedio entre la clase A y la B (ángulo de conducción θ > 180°); cada uno de los dos elementos activos conduce más de la mitad del tiempo. La clase AB se considera ampliamente un buen compromiso para los amplificadores, ya que muchos tipos de señales de entrada son nominalmente lo suficientemente silenciosas como para permanecer en la región de "clase A", donde se amplifican con buena fidelidad y, por definición, si salen de esta región, serán lo suficientemente grandes como para que los productos de distorsión típicos de la clase B sean relativamente pequeños. La distorsión de cruce se puede reducir aún más utilizando retroalimentación negativa .

En el funcionamiento de clase AB, cada dispositivo funciona de la misma manera que en la clase B en la mitad de la forma de onda, pero también conduce una pequeña cantidad en la otra mitad. ^[16] Como resultado, se reduce la región donde ambos dispositivos están casi apagados simultáneamente (la "zona muerta"). El resultado es que cuando se combinan las formas de onda de los dos dispositivos, el cruce se minimiza en gran medida o se elimina por completo. La elección exacta de la corriente de reposo (la corriente permanente a través de ambos dispositivos cuando no hay señal) hace una gran diferencia en el nivel de distorsión (y en el riesgo de fuga térmica , que puede dañar los dispositivos). A menudo, el voltaje de polarización aplicado para establecer esta corriente de reposo debe ajustarse con la temperatura de los transistores de salida. (Por ejemplo, en el circuito que se muestra a la derecha, los diodos se montarían físicamente cerca de los transistores de salida y se especificarían para tener un coeficiente de temperatura coincidente). Otro enfoque (a menudo utilizado con voltajes de polarización de seguimiento térmico) es incluir resistencias de pequeño valor en serie con los emisores.

La clase AB sacrifica algo de eficiencia con respecto a la clase B a favor de la linealidad, por lo que es menos eficiente (por debajo del 78,5 % para ondas sinusoidales de amplitud completa en amplificadores de transistores, por lo general; mucho menos es común en amplificadores de tubo de vacío de clase AB). Por lo general, es mucho más eficiente que la clase A.

En ocasiones, el diseño de un amplificador de tubo de vacío tendrá un número de sufijo adicional para la clase, por ejemplo, clase B1. Un sufijo 1 indica que la corriente de rejilla no fluye durante ninguna parte de la forma de onda de entrada, mientras que un sufijo 2 indica que la corriente de rejilla fluye durante parte de la forma de onda de entrada. Esta distinción afecta el diseño de las etapas del controlador del amplificador. Los números de sufijo no se utilizan para los amplificadores de semiconductores. ^[17]

En un amplificador de clase C, se utiliza menos del 50% de la señal de entrada (ángulo de conducción θ < 180°). La distorsión es alta y su uso práctico requiere un circuito sintonizado como carga. La eficiencia puede alcanzar el 80% en aplicaciones de radiofrecuencia. ^[13]

La aplicación habitual de los amplificadores de clase C es en transmisores de RF que funcionan a una única frecuencia portadora fija , donde la distorsión se controla mediante una carga sintonizada en el amplificador. La señal de entrada se utiliza para conmutar el dispositivo activo, lo que hace que los pulsos de corriente fluyan a través de un circuito sintonizado que forma parte de la carga. ^[18]

El amplificador de clase C tiene dos modos de funcionamiento: sintonizado y no sintonizado. ^[19] El diagrama muestra una forma de onda de un circuito de clase C simple sin la carga sintonizada. Esto se llama funcionamiento no sintonizado, y el análisis de las formas de onda muestra la distorsión masiva que aparece en la señal. Cuando se utiliza la carga adecuada (por ejemplo, un filtro inductivo-capacitivo más una resistencia de carga), ocurren dos cosas. La primera es que el nivel de polarización de la salida se fija con el voltaje de salida promedio igual al voltaje de suministro. Es por eso que el funcionamiento sintonizado a veces se llama fijador . Esto restaura la forma de onda a su forma adecuada, a pesar de que el amplificador solo tiene una fuente de alimentación de una polaridad. Esto está directamente relacionado con el segundo fenómeno: la forma de onda en la frecuencia central se vuelve menos distorsionada. La distorsión residual depende del ancho de banda de la carga sintonizada, y la frecuencia central ve muy poca distorsión, pero una mayor atenuación cuanto más se aleja la señal de la frecuencia sintonizada.

El circuito sintonizado resuena en una frecuencia, la frecuencia portadora fija, por lo que las frecuencias no deseadas se suprimen y la señal completa deseada (onda sinusoidal) se extrae mediante la carga sintonizada. El ancho de banda de la señal del amplificador está limitado por el factor Q del circuito sintonizado, pero esto no es una limitación grave. Los armónicos residuales se pueden eliminar utilizando un filtro adicional.

En los amplificadores prácticos de clase C se utiliza invariablemente una carga sintonizada. En una disposición común, la resistencia que se muestra en el circuito anterior se reemplaza por un circuito sintonizado en paralelo que consta de un inductor y un condensador en paralelo, cuyos componentes se eligen para resonar a la frecuencia de la señal de entrada. La potencia se puede acoplar a una carga mediante la acción del transformador con una bobina secundaria enrollada en el inductor. El voltaje promedio en el colector es entonces igual al voltaje de suministro, y el voltaje de la señal que aparece a través del circuito sintonizado varía desde casi cero hasta casi el doble del voltaje de suministro durante el ciclo de RF. El circuito de entrada está polarizado de modo que el elemento activo (por ejemplo, el transistor) conduce solo durante una fracción del ciclo de RF, generalmente un tercio (120 grados) o menos. ^[20]

El elemento activo conduce solo mientras la tensión del colector pasa por su mínimo. De este modo, se minimiza la disipación de potencia en el dispositivo activo y se aumenta la eficiencia. Lo ideal sería que el elemento activo pasara solo un pulso de corriente instantáneo mientras la tensión a través de él es cero: entonces no disipa potencia y se logra una eficiencia del 100%. Sin embargo, los dispositivos prácticos tienen un límite para la corriente pico que pueden pasar, y por lo tanto el pulso debe ampliarse a unos 120 grados para obtener una cantidad razonable de potencia, y la eficiencia es entonces del 60-70%. ^[20]

Los amplificadores de clase D utilizan algún tipo de modulación por ancho de pulso para controlar los dispositivos de salida. El ángulo de conducción de cada dispositivo ya no está relacionado directamente con la señal de entrada, sino que varía en ancho de pulso.

En el amplificador de clase D, los dispositivos activos (transistores) funcionan como interruptores electrónicos en lugar de dispositivos de ganancia lineal; están encendidos o apagados. La señal analógica se convierte en un flujo de pulsos que representa la señal mediante modulación por ancho de pulso , modulación por densidad de pulso , modulación delta-sigma o una técnica de modulación relacionada antes de aplicarse al amplificador. El valor de potencia promedio en el tiempo de los pulsos es directamente proporcional a la señal analógica, por lo que después de la amplificación, la señal se puede convertir nuevamente en una señal analógica mediante un filtro de paso bajo pasivo . El propósito del filtro de salida es suavizar el flujo de pulsos a una señal analógica, eliminando los componentes espectrales de alta frecuencia de los pulsos. La frecuencia de los pulsos de salida es típicamente diez o más veces la frecuencia más alta en la señal de entrada a amplificar, de modo que el filtro pueda reducir adecuadamente los armónicos no deseados y reproducir con precisión la entrada. ^[21]

La principal ventaja de un amplificador de clase D es la eficiencia energética. Se puede lograr una eficiencia superior al 90% con MOSFET y >80% es bastante común. Debido a que los pulsos de salida tienen una amplitud fija, los elementos de conmutación (generalmente MOSFET , pero también se han utilizado tubos de vacío y transistores bipolares ) se encienden o apagan completamente, en lugar de funcionar en modo lineal. Un MOSFET generalmente funciona con la resistencia de estado encendido más baja cuando está completamente encendido y, por lo tanto (excluyendo cuando está completamente apagado) tiene la disipación de potencia más baja cuando está en esa condición. En comparación con un dispositivo de clase AB equivalente, las pérdidas más bajas de un amplificador de clase D permiten el uso de disipadores de calor más pequeños para los MOSFET al mismo tiempo que reducen la cantidad de potencia de entrada requerida, lo que permite un diseño de fuente de alimentación de menor capacidad. Por lo tanto, los amplificadores de clase D son típicamente más pequeños que un amplificador de clase AB equivalente.

Otra ventaja del amplificador de clase D es que puede funcionar a partir de una fuente de señal digital sin necesidad de un convertidor digital a analógico (DAC) para convertir primero la señal a formato analógico. Si la fuente de señal está en formato digital, como en un reproductor de medios digitales o una tarjeta de sonido de ordenador , los circuitos digitales pueden convertir la señal digital binaria directamente en una señal de modulación por ancho de pulso que se aplica al amplificador, simplificando considerablemente los circuitos y reduciendo las posibilidades de entrada de ruido.

Se puede construir un amplificador de clase D con una potencia de salida moderada utilizando un proceso lógico CMOS normal, lo que lo hace adecuado para la integración con otros tipos de circuitos digitales. Por lo tanto, se lo encuentra comúnmente en sistemas en chip con audio integrado cuando el amplificador comparte una matriz con el procesador principal o DSP.

Si bien los amplificadores de clase D se utilizan ampliamente para controlar motores , también se utilizan como amplificadores de potencia. Sin embargo, si la señal no está ya en un formato modulado por pulsos antes de la amplificación, primero debe convertirse, lo que puede requerir circuitos adicionales. Las fuentes de alimentación conmutadas incluso se han modificado para convertirlas en amplificadores de clase D rudimentarios (aunque, por lo general, estos solo reproducen frecuencias bajas con una precisión aceptable).

Los amplificadores de potencia de audio de clase D de alta calidad están disponibles en el mercado. En el año 2009 se observó un rango dinámico de 118 dB en un producto de consumo de alta gama. Sin embargo, la mayoría se mantiene más cerca de un rango dinámico de 100 dB en este momento [2022] debido a consideraciones prácticas de costo. Se ha dicho que estos diseños rivalizan con los amplificadores tradicionales de clase A y AB en términos de calidad. Uno de los primeros usos de los amplificadores de clase D fue el de los amplificadores de subwoofer de alta potencia en los automóviles. Debido a que los subwoofers generalmente están limitados a un ancho de banda de no más de 150 Hz, la velocidad de conmutación del amplificador no tiene que ser tan alta como la de un amplificador de rango completo, lo que permite diseños más simples. Los amplificadores de clase D para controlar subwoofers son relativamente económicos en comparación con los amplificadores de clase AB.

La letra D que se utiliza para designar esta clase de amplificador es simplemente la letra que sigue a la C y, aunque ocasionalmente se utiliza como tal, no significa digital . Los amplificadores de clase D y clase E a veces se describen erróneamente como "digitales" porque la forma de onda de salida se parece superficialmente a un tren de pulsos de símbolos digitales, pero un amplificador de clase D simplemente convierte una forma de onda de entrada en una señal analógica modulada por ancho de pulso de forma continua . (Una forma de onda digital estaría modulada por código de pulso ).

Otras clases de amplificadores son principalmente variaciones de las clases anteriores. Por ejemplo, los amplificadores de clase G y clase H se caracterizan por la variación de los rieles de alimentación (en pasos discretos o de manera continua, respectivamente) siguiendo la señal de entrada. El calor desperdiciado en los dispositivos de salida se puede reducir ya que el exceso de voltaje se mantiene al mínimo. El amplificador que se alimenta con estos rieles puede ser de cualquier clase. Este tipo de amplificadores son más complejos y se utilizan principalmente para aplicaciones especializadas, como unidades de muy alta potencia. Además, los amplificadores de clase E y clase F se describen comúnmente en la literatura para aplicaciones de radiofrecuencia donde la eficiencia de las clases tradicionales es importante, pero varios aspectos se desvían sustancialmente de sus valores ideales. Estas clases utilizan la sintonización armónica de sus redes de salida para lograr una mayor eficiencia y pueden considerarse un subconjunto de la clase C debido a sus características de ángulo de conducción.

El amplificador de clase E es un amplificador de potencia de conmutación sintonizado de alta eficiencia que se utiliza en frecuencias de radio. Utiliza un elemento de conmutación unipolar y una red reactiva sintonizada entre el interruptor y la carga. El circuito obtiene una alta eficiencia al operar el elemento de conmutación solo en puntos de corriente cero (conmutación de encendido a apagado) o voltaje cero (conmutación de apagado a encendido), lo que minimiza la pérdida de potencia en el interruptor, incluso cuando el tiempo de conmutación de los dispositivos es largo en comparación con la frecuencia de operación. ^[22]

Con frecuencia se cita que el amplificador de clase E se informó por primera vez en 1975. ^[23] Sin embargo, se puede encontrar una descripción completa del funcionamiento de la clase E en la tesis doctoral de 1964 de Gerald D. Ewing. ^[24] Curiosamente, las ecuaciones de diseño analítico recién se conocieron recientemente. ^[25]

En los amplificadores push-pull y en los CMOS, los armónicos pares de ambos transistores simplemente se cancelan. Los experimentos muestran que estos amplificadores pueden generar una onda cuadrada . En teoría, las ondas cuadradas solo constan de armónicos impares. En un amplificador de clase D, el filtro de salida bloquea todos los armónicos; es decir, los armónicos ven una carga abierta. Por lo tanto, incluso pequeñas corrientes en los armónicos son suficientes para generar una onda cuadrada de voltaje. La corriente está en fase con el voltaje aplicado al filtro, pero el voltaje a través de los transistores está desfasado. Por lo tanto, existe una superposición mínima entre la corriente a través de los transistores y el voltaje a través de los transistores. Cuanto más agudos sean los bordes, menor será la superposición.

Mientras que en la clase D, los transistores y la carga existen como dos módulos separados, la clase F admite imperfecciones como los parásitos del transistor e intenta optimizar el sistema global para tener una alta impedancia en los armónicos. ^[26] Por supuesto, debe haber un voltaje finito a través del transistor para empujar la corriente a través de la resistencia de estado encendido. Debido a que la corriente combinada a través de ambos transistores está principalmente en el primer armónico, parece una onda sinusoidal. Eso significa que en el medio del cuadrado tiene que fluir el máximo de corriente, por lo que puede tener sentido tener una caída en el cuadrado o, en otras palabras, permitir algún exceso de oscilación de la onda cuadrada de voltaje. Una red de carga de clase F, por definición, tiene que transmitir por debajo de una frecuencia de corte y reflejar por encima.

Cualquier frecuencia que se encuentre por debajo del límite de corte y que tenga su segundo armónico por encima del límite de corte se puede amplificar, es decir, un ancho de banda de una octava. Por otro lado, un circuito en serie inductivo-capacitivo con una gran inductancia y una capacitancia ajustable puede ser más simple de implementar. Al reducir el ciclo de trabajo por debajo de 0,5, se puede modular la amplitud de salida. La forma de onda cuadrada de voltaje se degrada, pero cualquier sobrecalentamiento se compensa con la menor potencia total que fluye. Cualquier desajuste de carga detrás del filtro solo puede actuar sobre la forma de onda de corriente del primer armónico; claramente, solo tiene sentido una carga puramente resistiva; entonces, cuanto menor sea la resistencia, mayor será la corriente.

La clase F puede ser accionada por una onda sinusoidal o por una onda cuadrada; en el caso de una onda sinusoidal, la entrada puede ajustarse mediante un inductor para aumentar la ganancia. Si la clase F se implementa con un solo transistor, el filtro es complicado para cortocircuitar los armónicos pares. Todos los diseños anteriores utilizan bordes afilados para minimizar la superposición.

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Existe una variedad de diseños de amplificadores que mejoran las etapas de salida de clase AB con técnicas más eficientes para lograr una mayor eficiencia con baja distorsión. Estos diseños son comunes en los amplificadores de audio grandes, ya que los disipadores de calor y los transformadores de potencia serían prohibitivamente grandes (y costosos) sin los aumentos de eficiencia. Los términos "clase G" y "clase H" se usan indistintamente para referirse a diferentes diseños, y su definición varía de un fabricante o publicación a otro.

Los amplificadores de clase G (que utilizan "conmutación de rieles" para reducir el consumo de energía y aumentar la eficiencia) son más eficientes que los amplificadores de clase AB. Estos amplificadores proporcionan varios rieles de alimentación a diferentes voltajes y cambian entre ellos a medida que la salida de señal se acerca a cada nivel. De este modo, el amplificador aumenta la eficiencia al reducir la energía desperdiciada en los transistores de salida. Los amplificadores de clase G son más eficientes que los de clase AB, pero menos eficientes en comparación con los de clase D; sin embargo, no tienen los efectos de interferencia electromagnética de la clase D.

Los amplificadores de clase H crean un riel de alimentación (analógico) infinitamente variable. A veces se los denomina rastreadores de riel. Esto se hace modulando los rieles de alimentación de modo que los rieles sean solo unos pocos voltios más grandes que la señal de salida que los "rastrea" en un momento dado. La etapa de salida opera a su máxima eficiencia todo el tiempo. Esto se debe a la capacidad del circuito de mantener los transistores de riel (T2 y T4) en corte hasta que un pico de voltaje musical sea de una magnitud suficiente para requerir el voltaje adicional de las fuentes de + y - 80 V. Consulte la figura esquemática. El amplificador de clase H en realidad puede considerarse como dos amplificadores en serie. En el ejemplo esquemático que se muestra en la figura, los amplificadores de riel de +/- 40 V pueden producir aproximadamente 100 vatios continuos en una carga de 8 ohmios. Si la señal de salida funciona por debajo de los 40 voltios, el amplificador solo tiene las pérdidas asociadas con un amplificador de 100 W. Esto se debe a que los dispositivos superiores de clase H T2 y T4 solo se utilizan cuando la señal de música tiene una salida de entre 100 y 400 vatios. La clave para entender esta eficiencia sin alterar los números reales es que tenemos un amplificador con capacidad para 400 vatios pero con la eficiencia de un amplificador de 100 vatios. Esto se debe a que las formas de onda de la música contienen largos períodos por debajo de los 100 vatios y contienen solo breves ráfagas de hasta 400 vatios; en otras palabras, las pérdidas a 400 vatios son para breves períodos de tiempo. Si este ejemplo se dibujara como una clase AB con solo las fuentes de alimentación de 80 V en lugar de las de 40 V, los transistores T1 y T3 tendrían que estar en conducción durante toda la señal de 0 V a 80 V con las pérdidas correspondientes durante todo el período de onda, no solo las breves ráfagas de alta energía. Para lograr este control de seguimiento de rieles, T2 y T4 actúan como amplificadores de corriente, cada uno en serie con su contraparte de bajo voltaje T1 y T3. El propósito de T2 y T3 es permitir la polarización inversa del diodo D2 cuando la salida del amplificador está en un pico positivo (por encima de 39,3 V) y la polarización inversa de D4 cuando la salida está en un pico negativo inferior a -39,3 V. Durante los picos musicales de 100 a 400 vatios, los rieles de +/-40 V no generan corriente, ya que toda la corriente proviene de los rieles de +/-80 V. Sin embargo, esta cifra es demasiado simplista, ya que en realidad no controlará los transistores T2 y T4 en absoluto. Esto se debe a que los diodos D1 y D3, que están destinados a proporcionar una ruta para el voltaje de salida de regreso a los dispositivos superiores, siempre están polarizados en forma inversa. Se dibujan al revés. En lugar de estos diodos, se necesitaría un amplificador de voltaje con ganancia que use vout como entrada en un diseño real. Existe otra razón para este requisito de ganancia entre vout y la base T2 en un diseño de clase H real y es asegurar que la señal aplicada a T2 esté siempre "por delante" de la señal Vout para que nunca pueda "alcanzar" al rastreador de rieles. El amplificador del rastreador de rieles puede tener una velocidad de respuesta de 50 V/μs mientras que el amplificador AB puede tener una velocidad de respuesta de solo 30 V/μs para garantizar esto.

• Amplificador de clase T
• Amplificador de clase XD