AMPLIFICACIÓN: PRINCIPIOS BÁSICOS

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1 1 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- Dispositivos Electrónicos II CURSO Tema 3 AMPLIFICACIÓN: PRINCIPIOS BÁSICOS Profesores: Miguel Ángel Domínguez Gómez Camilo Quintáns Graña PARTAMENTO TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA UNIVERSIDAD VIGO ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR INGENIEROS TELECOMUNICACIÓN

2 2 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- AMPLIFICACION: PRINCIPIOS BÁSICOS INDICE Tema 3: Amplificación: principios básicos 1. CONSIRACIONES GENERALES 1.1. Linealidad 1.2. Ganancia tensión, corriente y potencia Decibelios 2. AMPLIFICADOR IAL 3. MOLOS 3.1. Amplificador tensión 3.2. Amplificador Corriente 3.3. Amplificador transconductancia 3.4. Amplificador transresistencia 3.5. Cálculo resistencias entrada y salida 4. LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS 4.1. Niveles saturación l amplificador 4.2. Característica transferencia no lineal. Polarización. - Distorsión no lineal -Notación 4.3. Respuesta en frecuencia amplificadores Diagramas Bo

3 3 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN SEÑALES: información elementos y actividas l mundo físico Ejemplo: Información tiempo: temperatura aire, presión, velocidad viento, etc. Locutor radio: SEÑAL ACUSTICA con información acontecimientos mundiales. Tema 3: Amplificación: principios básicos Señal física Ejemplo: Señal acústica locutor TRANSDUCTOR TRANSDUCTOR Información en forma onda Microfono Microfono SEÑAL ELÉCTRICA V(t), I(t) - Varía proporcionalmente a la señal física SEÑAL ELÉCTRICA

4 4 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- INTRODUCCIÓN En esta asignatura consiraremos que las señales físicas interés existen en el dominio las señales eléctricas 2 molos equivalentes: Tema 3: Amplificación: principios básicos THEVENIN (Si Rs ) Señales con información a procesar NORTON (Si Rs )

5 5 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- Tema 3: Amplificación: principios básicos INTRODUCCIÓN La amplificación señales eléctricas pequeña amplitud: NECESIDAD AMPLIFICACIÓN: Procesado más simple que se pue realizar sobre una señal Función primordial casi cualquier sistema electrónico. Ejemplos: Salida Reproductor Cassette µw Señales recepción antena: muy débiles Sistemas Digitales Debida principalmente a que la mayoría los TRANSDUCTORES proporcionan señales eléctricas amplitud ~ µv o mv, masiado débiles para por realizar un procesamiento fiable la información. DISEÑO CIRCUITOS : PAPEL TERMINANTE EN SISTEMAS ELECTRÓNICOS Altavoz: varios W Amplificarlas para procesarlas y obtener la información que transportan Amplificación para por diferenciar con claridad niveles lógicos.

6 6 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- CONSIRACIONES GENERALES CONSIRACIONES GENERALES GENERALES 1.1. LINEALIDAD Propiedad los amplificadores realizar la amplificación sin alterar la forma onda la señal (en ella está contenida la información) Tema 3: Amplificación: principios básicos AMPLIFICADOR TENSIÓN Señal Salida: réplica exacta la señal entrada, pero con mayor amplitud

7 7 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- CONSIRACIONES GENERALES GANANCIA TENSIÓN Tema 3: Amplificación: principios básicos Característica transferencia Ejemplo característica NO LINEAL: AMPLIFICADOR CON DISTORSIÓN NO LINEAL

8 8 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- CONSIRACIONES GENERALES 1.2. GANANCIA POTENCIA Y CORRIENTE GANANCIA POTENCIA Tema 3: Amplificación: principios básicos GANANCIA CORRIENTE Para que un amplificador pueda entregar en su salida una potencia superior a la que se obtiene la señal entrada sin violar el PRINCIPIO CONSERVACIÓN LA ENERGÍA: necesaria fuente externa que suministre esa potencia adicional.

9 9 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- CONSIRACIONES GENERALES Los Los amplificadores amplificadores son son capaces capaces proporcionar proporcionar en en su su salida salida señales señales mayor mayor potencia potencia bido bido a a que que para para su su funcionamiento funcionamiento es es necesario necesario utilizar: utilizar: FUENTES FUENTES CONTINUAS CONTINUAS ALIMENTACIÓN: ALIMENTACIÓN: Suministran Suministran al al amplificador amplificador la la potencia potencia adicional adicional que que entrega entrega en en su su salida, salida, así así como como la la potencia potencia consumida consumida o o disipada disipada en en forma forma calor calor por por su su circuito circuito interno). interno). Tema 3: Amplificación: principios básicos RENDIMIENTO (η): Eficiencia la conversión P DC entregada por las fuentes alimentación en Pot. señal P L : (parámetro terminante en amplificadores cuyo propósito es proporcionar grans cantidas potencia en su salida, nominados POTENCIA) +

10 10 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- CONSIRACIONES GENERALES Tema 3: Amplificación: principios básicos 1.3. CIBELIOS Ganancia tensión en db Ganancia corriente en db Ganancia potencia en db Ganancias tensión, corriente y potencia: relaciones adimensionales entre variables entrada y variables salida. Estas GANANCIAS puen expresarse forma más conveniente en unas unidas LOGARÍTMICAS nominadas BIBELIOS (db), especialmente si se trata con: grans variaciones ganancia varios amplificadores conectados en cascada Como la potencia está relacionada con la tensión o la corriente forma cuadrática: Conversión inversa: NOTA: Valor absoluto necesario porque la ganancia pue ser negativa (salida invertida respecto a la forma onda la entrada)

11 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- CONSIRACIONES GENERALES VENTAJAS: 1- Utilizando escalas en db, se puen scribir gráficamente conjuntos valores entre los que existe una gran diferencia. (Ejemplo: curva una amplificador cuya ganancia varía s 1 a 10 5 con algún parámetro terminado, se pue representar en escala db que varía entre 0dB y 100dB). Tema 3: Amplificación: principios básicos 2- La ganancia global varios amplificadores conectados en cascada es la suma las ganancias en db cada una las etapas individuales.

12 12 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- EL AMPLIFICADOR IAL EL EL AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR IAL IAL Molado mayoría DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS: Tema 3: Amplificación: principios básicos Generalmente existe un terminal común entre ambos puertos entrada y salida que se utiliza como referencia (masa l circuito) Molo equivalente amplificador tensión ial:

13 13 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- Tema 3: Amplificación: principios básicos EL AMPLIFICADOR IAL IAL Capaz proporcionar a la salida una potencia ilimitada (corriente suministrada a R L arbitrariamente gran) No toma potencia la señal entrada (corriente entrada nula) A I, A P infinitas IMPOSIBLE!! =

14 14 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- MOLOS MOLOS MOLOS 3.1 Amplificador tensión Tema 3: Amplificación: principios básicos Caracteriza el hecho que un amplificador real TOMA CORRIENTE LA FUENTE SEÑAL APLICADA A SU ENTRADA Caracteriza el CAMBIO TENSIÓN QUE SE PRODUCE EN LA SALIDA L AMPLIFICADOR A MEDIDA QUE ES NECESARIO SUMINISTRAR MÁS CORRIENTE A LA CARGA

15 15 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- MOLOS Tema 3: Amplificación: principios básicos GANANCIA TENSIÓN L AMPLIFICADOR A V0 : Ganancia en circuito abierto (valor máximo ganancia que pue dar el amplificador) PARA PARA NO NO PERR PERR GANANCIA GANANCIA TENSIÓN TENSIÓN EN EN EL EL ACOPLAMIENTO ACOPLAMIENTO LA LA SALIDA SALIDA L L AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR A A LA LA CARGA: CARGA: EL EL AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR BE BE DISEÑARSE DISEÑARSE FORMA FORMA QUE QUE R R O <<R O <<R L L

16 16 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- MOLOS Tema 3: Amplificación: principios básicos PARA PARA NO NO PERR PERR UNA UNA PARTE PARTE SIGNIFICATVA SIGNIFICATVA LA LA SEÑAL SEÑAL ENTRADA ENTRADA EN EN EL EL ACOPLAMIENTO ACOPLAMIENTO LA LA FUENTE FUENTE SEÑAL SEÑAL A A LA LA ENTRADA ENTRADA L L AMPLIFICADOR: AMPLIFICADOR: EL EL AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR BE BE DISEÑARSE DISEÑARSE FORMA FORMA QUE QUE R R i >> i >> R R S S Por ello, útil finir: GANANCIA TENSIÓN GLOBAL A V Incluye también el efecto la carga entrada AMPLIFICADOR IAL: R i =, R O = 0

17 17 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- BUFFERS TENSIÓN MOLOS Hay situaciones en las que el diseño l amplificador se realiza con el fin ADAPTAR una SEÑAL a una TERMINADA CARGA, sin que sea necesario obtener una ganancia tensión elevada. Este tipo amplificadores tensión: BUFFERS Tema 3: Amplificación: principios básicos Ejemplo: Supongamos que se sea aplicar una señal V s (t) a una terminada R L, pero R S >> R L.

18 18 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- MOLOS Solución: Tema 3: Amplificación: principios básicos Realizar el ACOPLAMIENTO FUENTE-CARGA mediante un AMPLIFICADOR GANANCIA TENSIÓN PROXIMA A LA UNIDAD, pero con una R i ELEVADA tal que R i >> R S, y una R O pequeña tal que R O << R L.

19 19 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO Amplificador corriente MOLOS A I0 : Ganancia corriente en cortocircuito Tema 3: Amplificación: Principios Básicos GANANCIA CORRIENTE L AMPLIFICADOR PARA NO PERR GANANCIA CORRIENTE EN EL ACOPLAMIENTO LA SALIDA L AMPLIFICADOR A LA CARGA, Y NO PERR UNA PARTE SIGNIFICATVA LA SEÑAL ENTRADA EN EL ACOPLAMIENTO LA FUENTE: EL AMPLIFICADOR BE DISEÑARSE FORMA QUE R i << R S, R O >> R L AMPLIFICADOR IAL: R i =0, R O =

20 20 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO Amplificador transconductancia MOLOS Se utilizan cuando la señal entrada es una tensión cuyo valor varía con el tiempo y se sea proporcionar la salida en forma corriente. Tema 3: Amplificación: Principios Básicos AMPLIFICADOR IAL: R i =, R O = G M0 : Ganancia transconductancia en cortocircuito (A/V)

21 21 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO Amplificador transresistencia MOLOS Se utilizan cuando la señal entrada es una corriente cuyo valor varía con el tiempo y se sea proporcionar la salida en forma tensión. R M0 i i (t) Tema 3: Amplificación: Principios Básicos AMPLIFICADOR IAL: R i =0, R O = 0 R M0 i i (t) R M0 : Ganancia transresistencia en circuito abierto (V/A, Ω)

22 22 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- MOLOS 3.5 Cálculo las resistencias entrada R i y salida R o un amplificador En base a los molos presentados anteriormente: a) Resistencia entrada R i Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Cálculo aplicando una tensión entrada v i (t) y midiendo la corriente entrada resultante.

23 23 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- MOLOS b) Resistencia salida R O Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Cálculo eliminando la fuente señal entrada (con lo que se anulan v i (t) e i i (t)) aplicando una fuente tensión v x (t) en la salida l amplificador, consirando que R L =.

24 24 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Tema 3: Amplificación: Principios Básicos LIMITACIONES LIMITACIONES PRÁCTICAS PRÁCTICAS LOS LOS Efectos que terminan en la práctica las características los amplificadores reales. 4.1 Niveles saturación l amplificador La característica transferencia un amplificador real es lineal sólo para un terminado rango valores la tensión entrada. Ejemplo: Amplificador genérico alimentado mediante fuente DC V 1 positiva y V 2 negativa. Sólo podrá amplificar señales cuya amplitud esté comprendida entre los niveles entrada para los que el amplificador pue proporcionar en su salida una señal amplificada sin distorsión.

25 25 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- L o v t L Por muy gran que sea la amplitud v i (t): ( ) + Para evitar DISTORSIÓN EN SALIDA: L L v i () t + V A V A Tema 3: Amplificación: Principios Básicos LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS

26 26 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO Característica Transferencia No Lineal. Polarización LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Excepto por el efecto saturación, hasta ahora se ha supuesto CARACTERÍSTICA TRANSFERENCIA AMPLIFICADOR PERFECTAMENTE LINEAL Práctica: pue presentar diferentes grados alinealidad pendiendo l esfuerzo invertido en el diseño para asegurar funcionamiento lineal. Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Característica transferencia típica (amplificador real alimentado mediante una única fuente positiva tensión continua) Característica NO LINEAL. Debido a alimentación asimétrica utilizada no está centrada en el origen (sólo pomos tener una polaridad en el circuito).

27 27 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- POLARIZACIÓN: LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Técnica simple mediante la cual se pue obtener la amplificación una señal sin distorsión en un amplificador con la anterior característica transferencia. + Tema 3: Amplificación: Principios Básicos IA: IA: Hacer Hacer que que las las variaciones variaciones v v i (t) i (t) se se produzcan produzcan alredor alredor l l punto punto funcionamiento funcionamiento Q Manteniendo la amplitud la señal entrada v i (t) lo suficientemente pequeña, el funcionamiento l amplificador se pue confinar en un segmento prácticamente lineal. Señal a amplificar superpuesta sobre V I +

28 28 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Polarizar el circuito forma que las variaciones la señal entrada Vi(t) no se produzcan en el origen la característica transferencia sino alredor un punto funcionamiento Q don su comportamiento sea prácticamente lineal. Tema 3: Amplificación: Principios Básicos POLARIZACIÓN: añadiendo una tensión continua V I en la entrada. +

29 29 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Notación Notación que se empleará para distinguir los distintos tipos tensiones y corrientes en un circuito: Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Tensiones y corrientes continuas: SÍMBOLO y SUBÍNDICE en MAYÚSCULAS. Ejemplo: V C, I C, V O, I O. Variaciones señal: SÍMBOLO y SUBÍNDICE en MINÚSCULAS. Ejemplo: v c, i c, v o, i o. Tensiones y corrientes totales: SÍMBOLO en MINÚSCULAS y SUBÍNDICE en MAYÚSCULAS. Ejemplo: v C, i C, v O, i O..

30 30 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO RESPUESTA RESPUESTA EN EN FRECUENCIA FRECUENCIA LOS LOS LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS En : siempre existen CONNSADORES Inherentes a los componentes l amplificador Asociados a la fabricación o al cableado l circuito Añadidos intencionalmente con alguna finalidad útil Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Su tensión no pue cambiar instantáneamente Bloquean la corriente DC Des otro pto. vista: En amplificadores que trabajen en un amplio margen frecuencias, la Z C =1/jwC asociada a los CONNSADORES varía apreciablemente con f, lo cual pue hacer que la salida l amplificador lineal aparezca distorsionada. Podrían limitar el tiempo respuesta un amplificador. Podrían limitar la capacidad los amplificadores responr a las señales que varían lentamente con el tiempo. La GANANCIA los amplificadores PEN LA FRECUENCIA LA SEÑAL ENTRADA:

31 31 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Una Una las las características características más más importantes importantes l l comportamiento comportamiento un un amplificador amplificador lineal lineal es es su su respuesta respuesta ante ante señales señales senoidales senoidales entrada entrada diferentes diferentes frecuencias: frecuencias: RESPUESTA RESPUESTA EN EN FRECUENCIA FRECUENCIA CÁLCULO LA RESPUESTA EN FRECUENCIA UN AMPLIFICADOR LINEAL Experimentalmente: Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Amplitud V i pequeña Barrido en frecuencia en el margen frecuencias interés Entrada frecuencia w o Caracterización la Respuesta en Frecuencia un AMPLIFICADOR a una señal senoidal frecuencia w o : Circuito lineal MEDIDA A(w) Salida con igual frecuencia w o que la entrada, pero generalmente con distinta amplitud y con splazamiento fase respecto a la entrada. Módulo la ganancia a w o (relación amplitus) Fase la ganancia a w o (sfase)

32 32 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- Variando w o y midiendo el módulo y la fase A: LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS REPRESENTACIÓN GRÁFICA L MÓDULO Y FASE LA FUNCIÓN TRANSFERENCIA L AMPLIFICADOR EN FUNCIÓN LA FRECUENCIA Respuesta en módulo: Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Respuesta en fase:

33 33 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO RESPUESTA EN FRECUENCIA UN AMPLIFICADOR REAL LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Ganancia cte. e inpendiente w en w L < w < w H. (BANDA FRECUENCIAS MEDIAS) BANDA BAJAS FRECUENCIAS Respuesta típica: BANDA FRECUENCIAS MEDIAS BANDA ALTAS FRECUENCIAS Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Ganancia en w L <w < w H máxima e igual a A mdb Para señales frecuencia w < w L o w > w H la amplitud la ganancia disminuye gradualmente. w L : Frecuencia Corte Inferior w H : Frecuencia Corte Superior Frecuencias a las que la ganancia disminuye 3dB respecto a su valor a frecuencias medias. ANCHO BANDA (BW): rango frecuencias en las que el amplificador es útil.

34 34 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- Tema 3: Amplificación: Principios Básicos LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS NECESARIO DISEÑAR EL AMPLIFICADOR FORMA QUE SU BW NECESARIO DISEÑAR EL AMPLIFICADOR FORMA QUE SU BW INCLUYA INCLUYA EL EL ESPECTRO ESPECTRO LAS LAS SEÑALES SEÑALES A A AMPLIFICAR AMPLIFICAR PARA PARA EVITAR EVITAR LA LA DISTORSIÓN DISTORSIÓN EN EN FRECUENCIA. FRECUENCIA. Ejemplo: el siguiente amplificador amplificará diferentes componentes espectrales la señal entrada con diferentes ganancias, forma que DISTORSIONARÁ EL ESPECTRO FRECUENCIAS, cambiando la forma onda la salida.

35 35 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- BANDA BAJAS FRECUENCIAS LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Caída ganancia terminada por las capacidas asociadas a los CONNSADORES ACOPLO Utilizados para conectar en cascada un amplificador a otro y simplificar el proceso diseño las diferentes etapas l amplificador, como se verá en sucesivos capítulos. Su capacidad se elige valor elevado (cenas µf), forma que su impedancia equivalente Z(w) sea spreciable a las frecuencias trabajo. A frecuencias lo suficientemente bajas, Z(w) pue ser lo bastante elevada como para provocar caídas tensión que reduzcan la ganancia final l amplificador. Los Los CONNSADORES CONNSADORES ACOPLO ACOPLO limitan limitan el el valor valor w L y L y en en consecuencia consecuencia la la FRECUENCIA FRECUENCIA MÍNIMA MÍNIMA funcionamiento funcionamiento l l amplificador amplificador

36 36 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CURSO 10- BANDA ALTAS FRECUENCIAS LIMITACIONES PRÁCTICAS LOS Tema 3: Amplificación: Principios Básicos Caída ganancia terminada por las CAPACIDAS INTERNAS los transistores utilizados en la implementación física l amplificador, así como las capacidas parásitas asociadas a las conexiones. Estas capacidas son muy pequeñas (pf), forma que su impedancia equivalente Z(w) es muy elevada a las frecuencias trabajo. A frecuencias lo suficientemente elevadas, Z(w) pue disminuir lo bastante como para provocar caídas tensión que reduzcan la ganancia final l amplificador. El El propio propio elemento elemento activo activo es es el el que que limita limita el el valor valor w H y H y en en consecuencia consecuencia la la FRECUENCIA FRECUENCIA MÁXIMA MÁXIMA funcionamiento funcionamiento l l amplificador amplificador