Amplificadores transistorizados multietapa. par de retroalimentación. circuito amplificador diferencial

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
AMPLIACIÓN BARCELONA
AMPLIFICADORES TRANSISTORIZADOS MULTIETAPAS
Autor: Margenis. Coello CI:28.407.118.
Carrera: 4to semestre. Electrónica- 80
Profesor: Luis Vargas.
Materia: Electrónica II
Barcelona, mayo de 2022

2. INTRODUCCIÓN
Un amplificador es un circuito que procesa las señales de acuerdo a la naturaleza
de su aplicación, extrae la información de la señal recibida de tal manera de
mantener o mejorar la prestación del sistema que la emite ya sea un sensor o
transductor, audio etc. Un amplificador multietapa es un circuito o sistema que tiene
múltiples transistores y además puede ser conectado con otro para mejorar su
respuesta tanto en ganancia, Zin, Zout o sus respuestas en frecuencia. Estos
pueden ser de Cc o Ca.
Esta clase de amplificadores trae consigo una serie de ventajas, normalmente
con los amplificadores transistorizados multietapas podemos obtener una ganancia
global mayor que con una sola etapa, unas impedancias en entrada y salida,
adecuadas a la aplicación, adaptar las características de la señal a las
especificaciones dadas, en tensión, corriente, frecuencia, potencia, etc., aprovechar
los puntos fuertes de cada configuración básica y al mismo tiempo compensar o
disminuir sus puntos débiles.
En el mismo contexto en los amplificadores también se implementa la
realimentación. La realimentación negativa es ampliamente utilizada en el diseño
de amplificadores ya que presenta múltiples e importantes beneficios, esto son
conocidos como par realimentado, así como también encontramos el estudio de
aquellos llamados par diferencial o simplemente amplificadores diferenciales que no
son más que aquel dispositivo que aumenta la diferencia entre dos voltajes de
entrada, pero que destruye cualquier voltaje común a dichas entradas. Se trata de
un circuito analógico con dos entradas denominadas entrada inversora y entrada no
inversora y una sola salida proporcional a la diferencia entre los dos voltajes.

3. AMPLIFICADOR TRANSISTORIZADO MULTIETAPA
Un amplificador transistorizado multietapa se puede definir como aquellos
circuitos electrónicos formados por varios transistores (BJT o FET), que pueden ser
acoplados en forma directa o mediante capacitores. Son el par Darlington (alta
impedancia de entrada e incremento de la ganancia de corriente), el par diferencial
(Relación de rechazo en modo común elevada) y el amplificador cascode (alta
impedancia de salida). Todas estas etapas amplificadoras pueden ser integradas y
encapsuladas en un chip semiconductor llamado Circuito Integrado (CI). En el CI la
polarización de las etapas se hace usando fuentes de corriente, debido a la mayor
facilidad de construcción (a través de transistores). La combinación de distintas
tecnologías permitirá mejorar la prestación de los sistemas deseados.
TIPOS DE ACOPLAMIENTO
Cuando un sistema está compuesto por más de una etapa de transistores, es
necesario conectar, o acoplar, los transistores entre sí. El acoplamiento establece
la forma como se conectan las etapas amplificadoras, dependiendo de la aplicación
y las características de respuesta que se desea el acoplamiento puede ser:
Acoplamiento directo, capacitivo y por transformador.
-Acoplamiento directo
Las etapas se conectan en forma directa, esto amplifica tanto de la componente
de señal como de la componente continua del circuito. Se dice que los circuitos de
cc se acoplan directamente como se muestra en la siguiente figura:

4. -Acoplamiento capacitivo
El acoplamiento capacitivo o por condensador se usa para interconectar etapas
en las cuales sólo se desea amplificar señal. El capacitor anula las componentes de
cc, permitiendo sólo la amplificación de señales en ca. Los amplificadores de ca
usan acoplamiento capacitivo. Permite mayor libertad en el diseño, pues la
polarización de una etapa no afectará a la otra.
Extendiendo el sistema de la figura a n-etapas, considerando la relación de
ganancia de cada una de ellas se tiene que la ganancia del sistema será:
-Acoplamiento por transformador

5. Este acoplamiento es muy popular en el dominio de la radio frecuencia (RF). El
transformador como carga permitirá aislar las señales y, además, dependiendo de
la razón de transformación incrementar el voltaje y corriente.
la carga es alimentada a través de un transformador, la relación de voltajes
estará dada por V2/ V1 =N2/ N1; donde el segundo término es la relación de inversa
de transformación. Los transformadores permiten aislar eléctricamente las distintas
etapas.
PAR RETROALIMENTADO
Es una configuración de dos transistores bipolares similar al par Darlington, pero
la conexión se realiza entre un transistor PNP que maneja a un NPN, actuando de
manera similar a un solo transistor PNP. Esta configuración ofrece una alta ganancia
de corriente, ya que se realiza el producto entre las ganancias de los transistores
Un Amplificador con realimentación, es un circuito electrónico, generalmente
integrado, que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos
entradas multiplicada por un factor de ganancia. El amplificador con realimentación
es una alternativa a los amplificadores con realimentación en voltaje, también
llamados operacionales.
-Teoría básica de realimentación

6. La figura 4.1 describe el diagrama de bloques de un circuito realimentado
constituido por un amplificador básico, una red de realimentación y un circuito
mezclador o comparador. La señal de entrada Xs es restada en el mezclador con la
señal Xf la cual es proporcional en un factor de transmisión ß a la señal de salida
Xo realimentada a través de la red de realimentación (Xf =ßXo). La señal que llega
al amplificador básico Xi es Xs -Xf. La denominación de realimentación negativa se
debe a que el amplificador básico amplifica la señal de entrada restada con una
parte de la señal de salida. La ganancia del amplificador realimentado Af se define
Pero como Xi =Xs -Xf, A=Xo /Xi y ß=Xf /Xo, fácilmente se comprueba que:
La ganancia del amplificador realimentado Af es la ganancia del amplificador
básico A dividida por el factor de sensibilidad D=1+ßA. La realimentación negativa
se produce cuando ßA>0, luego Af < A ya que D>1. La realimentación positiva se
produce cuando ßa<0 y da lugar a circuitos no lineales.
La teoría de realimentación exige considerar una serie de suposiciones para que
sean válidas las expresiones que se van a obtener seguidamente. Estas
suposiciones son:

7. • La señal de entrada se transmite a la salida a través del amplificador básico y no
a través de la red de realimentación.
• La señal de realimentación se transmite de la salida a la entrada únicamente a
través de la red de realimentación y no a través del amplificador básico.
• El factor ß es independiente de la resistencia de carga (RL) y de las fuentes (RS).
En las dos primeras suposiciones se aplica el criterio de unidireccionalidad:
Xs→Xo a través de A, Xo→Xf a través de ß. Estas suposiciones hacen que el
análisis de circuitos aplicando teoría de realimentación y sin ella difieran
mínimamente. Sin embargo, la teoría de realimentación simplifica enormemente el
análisis y diseño de amplificadores realimentados y nadie aborda directamente un
amplificador realimentado por el enorme esfuerzo que exige.
- Clasificación de los amplificadores
La aplicación de la teoría de realimentación permite obtener cuatro tipos de
modelos equivalentes de amplificadores: amplificador de tensión, amplificador de
corriente o intensidad, amplificador de transconductancia y amplificador de
transresistencia. Esta clasificación está basada en la magnitud de las impedancias
de entrada y salida del amplificador en relación con las impedancias de la fuente y
de carga respectivamente. Estos modelos son equivalentes entre sí y están
relacionados a través de unas ecuaciones que se van a describir a continuación.
 Modelo equivalente en tensión. La figura 4.4 Muestra el modelo
equivalente en tensión de un amplificador. Este modelo es adecuado cuando:
El amplificador de tensión ideal se caracteriza por Zi =∞ y Zo =0. Las
características de transferencia entre la entrada y salida sin resistencia de carga
(Av) y con resistencia de carga (AV) se definen como:

8.  Modelo equivalente en corriente. La figura 4.5 muestra el modelo
equivalente en corriente o intensidad de un amplificador. Este modelo es
adecuado cuando:
El amplificador de corriente ideal se caracteriza por Zi =0 y Zo =∞. Las
características de transferencia entre la entrada y salida sin resistencia de carga (Ai)
y con resistencia de carga (AI) se definen como:
La relación entre Ai y Av, y AI y AV es:

9.  Modelo equivalente de transresistencia. La figura 4.6 se muestra el
modelo equivalente en transresistencia de un amplificador. Este modelo es
adecuado cuando:
El amplificador de transresistencia ideal se caracteriza por Zi=0 y Zo=0. Las
características de transferencia entre la entrada y salida sin resistencia de carga
(Rm ) y con resistencia de carga (RM) se definen como:
La relación entre la Rm y Av, y la RM y AV es:
 Modelo equivalente de transconductancia. La figura 4.7 muestra el
modelo equivalente en transconductancia de un amplificador. Este modelo
es adecuado cuando:

10. El amplificador de transconductancia ideal se caracteriza por Zi =∞ y Zo =∞. Las
características de transferencia entre la entrada y salida sin resistencia de carga
(Gm ) y con resistencia de carga (GM) se definen como:
La relación entre la Gm y Ai, y GM y AI es:
-Configuraciones básicas de los amplificadores realimentados
Un amplificador es diseñado para responder a tensiones o corrientes a la entrada
y para suministrar tensiones o corrientes a la salida. En un amplificador
realimentado, el tipo de señal muestreada a la salida (corriente o tensión) y el tipo
de señal mezclada a la entrada (tensión o corriente) dan lugar a cuatro tipos de
topologías: 1) realimentación de tensión en serie o nudo-malla o nudo-serie, 2)
realimentación de corriente en serie o malla-malla o malla-serie, 3) realimentación
de corriente en paralelo o malla-nudo o malla-paralelo, y 4) realimentación de
tensión en paralelo o nudo-nudo o nudo-paralelo.

11. En la figura 4.8 se indica gráficamente las cuatro posibles topologías en función
de la señal muestreada a la salida y la señal mezclada en la entrada. Además, cada
una de las topologías condiciona el tipo de modelo de pequeña señal utilizado para
el amplificador básico. Una realimentación V en serie utiliza el modelo equivalente
de tensión (AV) del amplificador, una realimentación V en paralelo el modelo de
transresistencia (RM), una realimentación I en serie el de transconductancia (GM) y
una realimentación I en paralelo el de corriente (AI). Una de las dificultades más
importantes que surgen en el análisis de amplificadores realimentados es identificar
correctamente la topología o tipo de amplificador realimentado. Un error en esta
fase inicial origina un incorrecto análisis del circuito.
La figura 4.9 describe dos estructuras típicas de muestreo de la señal de salida.
En el muestreo de tensión o paralelo o nudo (figura 4.9.a) la red de realimentación
se encuentra conectada directamente al nudo de salida. En el muestreo de corriente
o serie o malla (figura 4.9.b) se realiza aprovechando la propiedad de que en un
transistor en la región lineal la intensidad de colector y emisor son prácticamente
idénticas. De esta manera, el muestreo de la corriente de salida (io) se realiza a
través de la corriente de emisor (ie) del transistor de salida (ie ~-io).

12. En la figura 4.10 se indican dos estructuras típicas que permiten mezclar la señal
de entrada con la señal de la red de realimentación. En la estructura de corriente o
nudo o paralelo (figura 4.10.a) la red de realimentación mezcla la corriente de
entrada (isi) con la corriente realimentada (if) de forma que la corriente de entrada
al amplificador básico es ii =isi-if. En la estructura de tensión o malla o serie (figura
4.10.b) la red de realimentación mezcla la tensión de entrada (vsi) con la tensión
realimentada (vf) de forma que la tensión de entrada al amplificador básico es vi
=vsi-vf.
CIRCUITO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Circuito Amplificador Diferencial es un dispositivo que amplifica la diferencia
entre dos voltajes de entrada, pero que suprime cualquier voltaje común a dichas

13. entradas es un arreglo realizado mediante transistores. Se trata de un circuito
analógico con dos entradas denominadas entrada inversora y entrada no inversora
y una sola salida proporcional a la diferencia entre los dos voltajes. El amplificador
diferencial constituye la etapa de entrada más típica de la mayoría de los
amplificadores operaciones y comparadores, siendo además el elemento básico de
las puertas digitales de la Familia Lógica ECL. Es un bloque constructivo esencial
en los modernos amplificadores integrados. Algunas de las características
importantes del amplificador diferencial son su alta impedancia de entrada, una
ganancia de tensión alta, un valor alto en cuanto al rechazo en modo común.
El sistema de la siguiente figura es un amplificador diferencial, cuya señal de salida
corresponde a la diferencia amplificada de las dos entradas.
En un amplificador ideal se debe cumplir que:
Si la salida se considera como se dice que corresponde a la
salida balanceada, en cambio si esta será la salida
asimetrica. En un amplificador diferencial se tiene:
Donde Ad es la ganancia diferencial y Ac es la ganancia en modo común
es la entrada diferencial y es la entrada en modo común.

14. El amplificador sólo responde a la entrada diferencial si Ad >> Ac. Se define así
la relación de rechazo en modo común (RRMC o CMRR- Common Mode Reject
Rate) dada por el cociente.
Esta relación mide la calidad del amplificador diferencial, debido a que permite
saber en qué factor se atenúa la señal en modo común, respecto de la señal
diferencial.
-Análisis de circuito
Tenemos:
Para obtener las expresiones correspondientes a esta configuración tendremos
en cuenta que su comportamiento es en todo momento lineal. Por ello, aplicaremos
el teorema de superposición. Primero supondremos que una de las tensiones de
entrada es nula y obtendremos la salida correspondiente, a
continuación, supondremos que la otra tensión es nula y también obtendremos
la expresión de Vo, la solución completa se consigue mediante la suma de ambas
soluciones.

15. Analizamos el circuito por superposición dividiéndolo en los dos subcircuitos
siguientes:
– Primer caso: V2=0:
En este caso al considerar que V2 es igual a cero obtenemos que R1 y R2
están en paralelo con lo cual el circuito tomaría la forma:
Sabemos que la intensidad I que atraviesa la resistencia equivalente debe ser
nula, por lo que V+=0. Con esto nuestro circuito se convierte en un circuito
amplificador inversor, que ya conocemos y por tanto podemos decir que
-Segundo caso: V1=0:

16. Ahora el circuito es un amplificador NO inversor con la única diferencia de que
en nuestro caso no aplicamos una tensión directamente sobre V+. Por ello, debemos
buscar primero el valor de V+. Como sabemos que I=0, por lo tanto:
.
Sustituyendo en la expresión de Vo del amplificador NO inversor que ya
conocemos obtenemos: .
La expresión de V0Total aplicando el teorema de superposición será:
En cuanto a la ganancia G será:
.
Las expresiones que hemos obtenido anteriormente se deben en parte al hecho
de disponer de dos resistencias R1 exactamente iguales entre sí y lo mismo ocurre
con las R2. Por ello se dice que las R1 deben estar apareadas, así como las dos
resistencias R2, lo que quiere decir que deben ser exactamente iguales. Un tema
importante a tener en cuenta en la utilización de este dispositivo es el de la
impedancia que ofrece al exterior. Así, si colocamos los extremos de una pila en las

17. entradas del circuito, debe de producir en la salida una señal amplificada de la
entrada. Sin embargo, esto no siempre es así.
En la figura de la izquierda mostramos cómo se conectaría la pila al circuito y a
la derecha se muestra el esquema correspondiente formado por la pila ideal, una
resistencia interna de la misma R0 y la resistencia de entrada Ri que muestra
nuestro circuito al exterior. En caso de que R0 sea comparable a Ri caerá una
tensión importante en los extremos de R0 y la tensión en los extremos de Ri (la que
el circuito tomará como señal de entrada) será muy diferente de la nominal de la
pila. Por el contrario, en el caso de que R0 sea muy pequeña frente a Ri casi toda la
tensión caerá en Ri y por tanto se parecerá mucho a la tensión nominal de la pila.
Vamos a calcular la resistencia de entrada de nuestro circuito.
Estudiando la malla señalada en la figura:
En donde el término (V–-V+) es nulo al considerar el caso ideal.
La resistencia de entrada será:

18. Expresión que nos indica que nuestra resistencia de entrada no debe ser muy
elevada. Si recordamos que G=R2/R1 y suponemos que G es muy grande,
realmente estamos diciendo que R2 debe ser muy grande con respecto a R1 pero
eso no indica que R1 sea grande. En muchos casos R1 puede alcanzar valores de
103, 104 e incluso más, pero esos valores no son desde luego infinito. Para evitar
los problemas presentados arriba y que nuestro circuito siga funcionando como se
pretende colocamos un SEGUIDOR DE TENSIÓN a cada una de las entradas de
nuestro circuito, como se muestra en la figura siguiente.
Dado que la intensidad de entrada en los dos seguidores de tensión es nula, la
impedancia de entrada que ofrece el circuito será infinita.
-Configuración del Amplificador Diferencial.
El circuito de la figura es un amplificador diferencial transistorizado llamado par
Diferencial, donde la variable Vo es la salida y los terminales Vi1 y Vi2 son la entrada.
Considerando que los parámetros de circuito y los transistores son idénticos y el
voltaje aplicado a cada uno de los terminales de entrada es el mismo, Vo será nulo.
Esto se conoce como circuito balanceado.

19.  Análisis en corriente continua
Planteando la LVK en la malla de entrada:
Como ambos transistores son iguales se tiene que:

20. En la práctica IE debe ser independiente de los transistores y de valor constante,
también se deseará que RE sea lo más grande posible, de esta forma el RRMC
tendrá un valor alto y el amplificador tendrá una respuesta más próxima a la ideal.
 análisis en corriente alterna
-Determinación de la ganancia diferencial:
Sea la salida vo2:
Pero en la entrada
Por otro lado
Sea hfe >> 1, se despeja ib2 en función de ib1, se tiene ib2 = -ib1: Como vi= vi2-
vi1, entonces

21. Finalmente, la ganancia Ad será:
 Ganancia en modo común
Considerando el circuito de la figura 13.
Sea Vi=Vi1=Vi2, luego se tiene que AC= Vo2/Vic dado que Vo2= -hfeIb2Rc,
planteando la LVK en la entrada:
Considerando que ib1=ib2= ib, entonces:
Finalmente:

22.  Determinación de la RRMC
Se observa que si RE→∞ el CMRR se hace muy grande por lo tanto la
componente en modo común se atenúa, haciendo su comportamiento ideal.
 Amplificador diferencial con fuente de corriente
Considerando que los transistores Q1 y Q2 del circuito de la figura 6
deben estar polarizados en cc, el valor de RE debe ser limitado. Si RE se
incrementa, el valor de -VEE, también debe ser incrementado, para mantener la
misma corriente de polarización en los dos transistores.
Esto implica que el incremento de RE no es posible sin un incremento en la
tensión de polarización (-VEE), luego, el circuito descrito se modifica usando una
fuente de corriente constante ideal. Esto proveerá una corriente de polarización
constante para Q1 y Q2 y una resistencia infinita entre los dos emisores y tierra.
En términos prácticos, la implementación típica de la fuente de corriente puede ser
en base a un transistor como se indica en la Figura:

23. Dado que IE= IC3, se tiene que:
Como:
Se tiene que:
Por lo tanto:
Seleccionando un Rb3 adecuado se tiene que:
Note que IE es constante y RE no necesariamente es elevada.
-Tipos de amplificador diferencial
Existen diferentes tipos de ampliadores diferenciales he aquí una definición de
algunos de ellos ya expuestos:

24.  Amplificador diferencial básico bipolar: Instituye la etapa de entrada más
habitual de la totalidad de los amplificadores operaciones y comparadores,
por lo general es el elemento básico de las puertas digitales del conjunto de
lógica ECL. Posee una simetría que le concede unas particularidades
importantes para el análisis y diseño. Funcionan con corriente continua y con
corriente alterna.
 Amplificador diferencial bipolar con fuente de corriente: Cuando se
aplica una tensión de entrada diferencial, la suma de corriente en ambos
transistores se mantiene constante a un aumento de la energía en un
transistor origina una disminución de corriente en la misma proporción en el
otro transistor. Funciona con tensiones máximas de entrada en modo
diferencial bajas; del orden de 100mV~4VT. Resaltado este valor, uno de los
transistores se corta y por el otro transita la corriente IEE.
 Amplificador diferencial con carga activa: En estos tipos de
amplificadores las fuentes de alimentación pueden ser usadas como carga
activa en un amplificador diferencial. El espejo de corriente es el circuito que
mejor se ajusta al tener una resistencia interna poco elevada. Dicha
resistencia elimina los problemas de polarización y mantiene una ganancia
muy alta.
 Amplificadores diferenciales FET: Se caracterizan porque la impedancia
de entrada puede ser muy alta en caso de usar transistores FET. La ganancia
de este amplificador puede mejorarse utilizando cargas activas. Es
importante destacar que Los transistores JFET contienen una tecnología
concurrente con los BJT, por lo cual pueden ser fabricados paralelamente en
un circuito integrado, logrando la composición de las características de
ambos instrumentos como son su alta impedancia de entrada (JFET) y
linealidad y altas prestaciones (BJT).

25. EJERCICIOS DE CIRCUITOS AMPLIFICADORES MULTIETAPA
-Ejercicio 1.
 Análisis DC:

26. Tabla final con los valores DC, gm y r:

27.  Análisis AC:
Etapa 1: Par diferencial con salida diferencial
Etapa 2: Par diferencial con salida simple
Etapa 3: Colector común, con resistencia y salida por el emisor

28. Tabla final de los valores de AC:

29. Ejercicio 2
a) Hallar R1, tal que Ic4=500μA
b) Hallar Ad
 Análisis DC.
Se tiene que:
Por otro lado, se sabe que:
Tabla con los valores DC:

30.  Análisis AC
Etapa 1: Par diferencial con salida diferencial
Tabla con los valores AC:

32. CONCLUSIÓN
Los circuitos multietapas son sistemas construidos a partir de varios transistores,
estos pueden estar acoplados entre sí, ya sea en forma directa o a través de un
capacitor. Cuando las etapas son acopladas por capacitor se habla de circuitos ca,
si son acopladas en forma directa se habla de circuitos en cc y ca. Las
configuraciones multietapa clásicas, como el par Darlington, el amplificador
diferencial o el casdode presentan características propias que permiten el buen
funcionamiento de estos amplificadores, otorgándoles altas impedancias de entrada
e incremento de la corriente, alto RRMC o alta impedancia de salida, las cuales
pueden mejoradas al combinar dichos circuitos con otros elementos ya sea para su
polarización o como carga.
Por otra parte, La realimentación, es necesaria en los amplificadores electrónicos
para lograr un funcionamiento adecuado frente a las cualidades no ideales de los
elementos activos con que se diseñan, uno de estos beneficios es la estabilización
de la ganancia del amplificador frente a variaciones de los dispositivos, temperatura,
variaciones de la fuente de alimentación y envejecimiento de los componentes. Sin
embargo, presenta dos inconvenientes básicos. En primer lugar, la ganancia del
amplificador disminuye en la misma proporción con el aumento de los anteriores
beneficios. El segundo problema está asociado con la realimentación al tener
tendencia a la oscilación lo que exige cuidadosos diseños de estos circuitos es por
ello que debemos ser cuidadosos al aplicar dicha realimentación.

33. BIBLIOGRAFÍA
Concepto de amplificadores multietapa [documento en línea]
https://es.slideshare.net/aldairserrano1/amplificadores-transistorizados-multietapa
tipos de acoplamiento [documento en línea]
https://es.calameo.com/read/005070629af8b91314337
pare retroalimentado [documento en línea]
https://www.scribd.com/presentation/103755695/Par-de-retroalimentacion
Teoría de retroalimentación [documento en línea]
http://fcqi.tij.uabc.mx/usuarios/jjesuslg/Tema4.pdf
Concepto de amplificador diferencial [documento en línea]
https://www.slideshare.net/JhonatanParada/amplificadores-transistorizados-
multietapa-239013364
Conexiones de amplificador diferencial [documento en línea]
https://es.calameo.com/read/005070629af8b91314337
Ejercicios de amplificadores transistorizados multietapa [documento en línea]
http://blog.pucp.edu.pe/blog/cristhianjc/wp-
content/uploads/sites/791/2015/11/Problemas-Resueltos.pdf