Fundamentos de los amplificadores electrónicos

1. TEMA 2
FUNDAMENTOS DE LOS
Departamento de Ingeniería Electrónica - ETSIT - UPV - Valencia
AMPLIFICADORES
Circuitos Electrónicos Tema 2: Fundamentos de los amplificadores 1

2. Temario
Tema Título
1 Introducción a los circuitos electrónicos
Departamento de Ingeniería Electrónica - ETSIT - UPV - Valencia
2 Fundamentos de los amplificadores
3 Análisis lineal de amplificadores con BJT
4 Análisis lineal de amplificadores con MOSFET
5 Respuesta en frecuencia de un amplificador
6 Configuraciones especiales
7 Amplificadores operacionales
8 Aplicaciones de los amplificadores operacionales
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3. Índice
2.1 Conceptos generales sobre amplificación lineal
2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
Ganancia
Impedancia de entrada
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Impedancia de salida
2.3 Tipos de amplificadores
Amplificador de corriente
Amplificador de tensión
Amplificador de transconductancia
Amplificador de transresistencia
Amplificadores Ideales
2.4 Limitaciones del Amplificador real
Limitación de nivel de señal. Distorsión no lineal
Respuesta en frecuencia. Distorsión lineal
2.5 Amplificadores Multietapa
Conexión en cascada. Tipos de Acoplamiento
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4. Objetivos
Conocer los fundamentos y la necesidad del amplificador como
circuito básico en electrónica.
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Conocer el modelo equivalente del amplificador, comprender la
influencia de sus parámetros y saber la forma de obtenerlos.
Conocer los diferentes tipos de amplificadores según el tipo de
señal de entrada y salida y comprender cuales son los valores ideales
de las impedancias en cada caso.
Comprender las limitaciones del amplificador real.
Conocer la necesidad, la forma y tipos de acoplamiento entre
etapas amplificadoras.
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5. 2.1 Conceptos básicos sobre amplificación lineal
AMPLIFICAR: Es aumentar la amplitud, intensidad, o nivel de una señal
AMPLIFICADOR ELECTRÓNICO: Es un circuito electrónico cuya función
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es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de una señal
mediante la utilización de la energía
A
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6. 2.1 Conceptos básicos sobre amplificación lineal
La SEÑAL ELÉCTRICA que se introduce en un circuito electrónico
amplificador es portadora de información. Suele ser generada por un sensor,
dispositivo que convierte una señal física en una señal eléctrica. Una señal
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cualquiera se puede descomponerse en suma de varias señales senoidales
(Desarrollo en Serie de Fourier).
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7. 2.1 Conceptos básicos sobre amplificación lineal
La señal de salida debe ser un reflejo fiel de la señal de la entrada para que la
información que transporta no varíe
ALTA FIDELIDAD (HI-FI) se trata de una norma de calidad, que indica que
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los equipos tienen una reproducción muy fiel a la original; los ruidos y las
distorsiones son mínimas.
DISTORSIÓN Es la deformación que sufre una señal al pasar por un sistema
o al atravesar un circuito. La distorsión puede ser lineal o no lineal.
Distorsión lineal: Ocurre cuando las diferentes frecuencias que
componen una señal no se amplifican por igual. La ganancia es función de la
frecuencia.
Distorsión no lineal: Ocurre cuando la señal se deforma debido a una
respuesta no lineal de los componentes del amplificador, generalmente
cuando se alcanzan los límites de funcionamiento. Se generan componentes
de frecuencia a la salida que NO EXISTÍAN en la entrada.
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8. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
El modelo equivalente de un amplificador de tensión real incluye una
resistencia Ri en la entrada (impedancia de entrada), un generador de tensión
dependiente de la tensión de entrada (amplificación AV), que conecta con la salida
mediante una resistencia en serie, Ro (impedancia de salida)
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Modelo equivalente de un amplificador
Ganancia de tensión Av es el factor por el que se multiplica la tensión de
entrada para generar la salida (Avvi ).
vO
Av =
vi
vo medido en vacío (sin carga). A menudo lo llamaremos AVNL (NO LOAD)
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9. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
Impedancia de entrada Ri es la resistencia equivalente entre los terminales de
entrada. Es por tanto, la relación entre la tensión de entrada al amplificador vi y
la corriente de entrada ii
v
Ri = i
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ii
Modelo del amplificador con generador y resistencia de carga RL
Impedancia de salida Ro es la resistencia equivalente que existe entre
generador dependiente y la salida. Al pasar la corriente (iL) por ella, se produce
una caída de tensión que hace que la tensión aplicada a la carga (vL) sea menor
que la generada por el amplificador (AvNLvi)
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10. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
MÉTODOS PARA OBTENER LA RO
Cálculo analítico de Ro
1. Se anula el generador de la entrada vg=0 ; por lo que vi = 0 → AV NL vi = 0,
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2. Se conecta un generador en los terminales de salida v’
3. Al quedar sólo Ro en la salida tenemos:
v'
RO =
i'
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11. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
Obtención del valor de Ro en el laboratorio
1. Se mide la tensión de salida del amplificador en vacío (sin carga) voNL = Av NL vi
2. Se conecta una carga variable (potenciómetro) a la salida (RL* )
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3. Se ajusta la carga hasta que vL=voNL/2 (mitad de la tensión en vacío)
4. Se mide RL* y tenemos que Ro= RL*
(
vL = Av NL )
vi
R*L
Ro + R*
L
(
vL = Av NL )
vi
R*L
Ro + R*
=
Av NL vi
2
⇒
R*L 1
= ⇒ Ro = R*
Ro + R* 2
L
L L
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12. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
Otra técnica de medida de Ro
1. Se mide la tensión de salida del amplificador en vacío (sin carga) voNL = Av NL vi
2. Se cortocircuita la salida y se mide la corriente de salida en cortocircuito ioCC
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3. La relación entre ambas nos dará el valor de Ro
AvNL vi voNL
Ro = =
icc icc
Este método conlleva un cierto riesgo en caso de que la corriente ioCC sea
demasiado alta, ya que se puede quemar algún componente del amplificador
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13. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
Ganancia de corriente Ai: es la relación entre la corriente de salida
suministrada a la carga (iL) y la corriente de entrada (ii). Se puede obtener a partir
del modelo de tensión:
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vL RL
AvNL vi
i R v R Ro + RL Ri Ri
Ai = L = L = L i = = AvNL
ii vi vi RL vi RL Ro + RL
Ri
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14. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
También se puede calcular la Ganancia de corriente Ai obteniendo el modelo
de amplificador de corriente mediante el equivalente Norton.
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Av NL vi
ioCC Ro Ri Ro i Ri
AiCC = = = AvNL ; iL = AiCC ii ⇒ Ai = L = AvNL
ii vi Ro Ro + RL ii Ro + RL
Ri
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15. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
Ganancia de potencia G: Relación entre la potencia de salida (PL) y la
potencia de entrada (Pi). La potencia media tanto en la entrada como en la
salida es el producto de la corriente eficaz ief por la tensión eficaz Vef
v ⋅i
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P
G = L = L L = Av ⋅ Ai
Pi vi ⋅ ii
Ganancia en decibelios. La ganancia de potencia se suele expresar en una
unidad denominada decibelio (dB), según la siguiente ecuación:
G dB = 10 log G
Ejemplo: Si el amplificador tiene una ganancia de potencia G = 100, entonces
G dB = 10 log 100 = 20 dB
Ventajas: La ganancia total en dB de varios amplificadores conectados en
cascada se reduce a sumar las ganancias en dB de cada uno de ellos
GT = G1·G2 ⇒ GTdB = 10 log (G1·G2) = 10 log G1+10 log G2= G1dB+G2dB
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16. 2.2 Modelo equivalente de un amplificador. Parámetros característicos
GANANCIAS DE TENSIÓN Y CORRIENTE EN dB
∙
= = = ∙ = ∙
∙
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= = = ∙ = ∙
2 2
= = ∙ = ∙
= 20 log +∙ 10 log = dB +∙ 10 log
dB = 20 log +∙ 10 log = dB +∙ 10 log
Las ganancias de tensión y corriente en dB se definen:
= 20 log ; dB = 20 log
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17. 2.3 Tipos de amplificadores
Amplificador de Tensión: vL
Entrada: vg Salida: vL Av =
vg
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Amplificador de Corriente:
iL
Entrada: ig Salida: iL Ai =
ig
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18. 2.3 Tipos de amplificadores
Amplificador de Transconductancia: iL
Entrada: vg Salida: iL AG =
vg
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Amplificador de Transresistencia:
vL
Entrada: ig Salida: vL AR =
ig
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19. 2.3.5 Amplificadores Ideales
AMPLIFICADORES IDEALES Ri
Amplificador ideal de tensión vi = v g
Ri + Rg
(
vL = Av NL vi )R R R
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L
+ o L
vL vL vi RL Ri
Av = = = Av NL
v g vi v g Ro + RL Ri + Rg
IMPEDANCIAS IDEALES: Ri =∞ ; Ro=0
Rg
Amplificador ideal de corriente ii = i g
Ri + Rg
iL = ( AiCC ii )
Ro
Ro + RL
iL iL ii Ro Rg
Ai = = = Ai CC
i g ii i g Ro + RL Ri + Rg
IMPEDANCIAS IDEALES: Ri =0 ; Ro= ∞
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20. 2.3.5 Amplificadores Ideales
Amplificador ideal de transconductancia Ri
vi = v g
Ri + Rg
iL = ( AGcc vi )
Ro
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Ro + RL
iL iL vi Ro Ri
AG = = = AGcc
v g vi v g Ro + RL Ri + Rg
IMPEDANCIAS IDEALES: Ri =∞ ; Ro= ∞
Rg
Amplificador ideal de transresistencia ii = i g
Ri + Rg
vL = ( ARNL vi )
RL
Ro + RL
v L v L ii RL Rg
Ai = = = ARNL
ig ii ig Ro + RL Ri + Rg
IMPEDANCIAS IDEALES: Ri =0 ; Ro= 0
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21. 2.4 Limitaciones del amplificador real
Un amplificador real no puede mantener la ganancia constante para
cualquier valor de la señal de entrada.
Los amplificadores para poder conseguir este aumento de señal en la
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salida necesitan alimentarse mediante tensión continua, y el valor de
ésta limitará los valores máximos de comportamiento lineal
Función de transferencia vo – vi de un amplificador real
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22. 2.4.1 Excursión señal de salida. Distorsión no lineal
Al superar los límites de funcionamiento lineal, aparecerá la Distorsión no Líneal
Se manifiesta por el recorte de la forma de la señal
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Ejemplo: Si la ganancia Av = 20 y el circuito permite una señal de salida comprendida
entre v+o MAX = 10V, v −o MAX = -4V
Si introducimos una señal senoidal vi = 100 mV (amplitud)
vo = Av vi = 20·100 mV (amplitud) = 2 Vp
Si introducimos una señal senoidal vi = 500 mV (amplitud)
Se obtendría una señal senoidal vo = Av vi = 20·500 mVp (amplitud) = 10 Vp.
Lo cual es imposible porque el valor negativo máximo es -4 V; es decir la señal de
salida estará recortada. Distorsión no lineal.
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23. 2.4.2 Respuesta en frecuencia del amplificador. Distorsión lineal
Los amplificadores reales tampoco amplifican igual las diferentes componentes
de frecuencia de la señal de entrada; es decir, la ganancia varía con la frecuencia.
La señal se deforma, pero la respuesta sigue siendo lineal.
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Hablamos de Distorsión lineal.
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24. 2.5 Amplificadores multietapa
Se llama amplificador monoetapa al formado por un solo transistor. Cuando se
conectan varios amplificadores monoetapas entre sí recibe nombre de multietapa.
Necesidad de conexión entre etapas.
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Con una sola etapa no se pueden conseguir las características de los
amplificadores ideales, es decir, que tengan mucha ganancia y las impedancias de
entrada y de salida sean las deseadas; de ahí surge la necesidad de conexión entre
etapas.
Conexión de dos etapas en cascada
v L vL vi 2 vi 1 RL Ri 2 Ri 1
Av = = = Av 2 Av 1
v g vi 2 vi 1 v g Ro 2 + RL Ri 2 + Ro1 Ri 1 + Rg
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25. 2.5 Amplificadores Multietapa. Tipos de acoplamiento
Acoplamiento capacitivo.- Se colocan condensadores para unir la salida de una
etapa con la entrada de la siguiente. No pueden amplificar continua ni frecuencias
muy bajas
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Amplificadores de Acoplo Directo.- Permiten amplificar continua y señales de
muy baja frecuencia. Al no separar la continua, el punto de funcionamiento de las
diferentes etapas puede verse afectado al conectarlas y hay que tenerlo en cuenta
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26. Bibliografía
BIBLIOGRAFÍA
“Electrónica”
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Hambley Allan R. Prentice Hall
“Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos”
Boylestad R.L.; Nashelsky L. Prentice Hall
“Electrónica Analógica Discreta”
Iranzo M. ; Batalla E. ; García A.H. ; Montilla F. et altres
SPUPV-99.826
“Curso de Electrónica. CD- Multimedia”
Pérez C. ; Montilla F. - SPUPV.- Ref. 2001.4299
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