TEMA 5 AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL Profesores: Germán Villalba Madrid Miguel A. Zamora Izquierdo 1
CONTENIDO Introducción Conceptos básicos sobre amplificadores. Cuadripolos Modelos de diferentes tipos de amplificadores. Fuentes de alimentación y rendimiento Medidas en decibelios Aplicaciones con requisitos específicos Distorsión Análisis a partir de la recta de carga Circuito equivalente en pequeña señal para el BJT en emisor común. Circuito equivalente en pequeña señal para el FET en fuente común. Cálculo de ganancias e impedancias. Recta de carga dinámica. 2
INTRODUCCION El amplificador es uno de los bloques funcionales más importantes de los sistemas electrónicos. Se diferencia entre gran señal y pequeña señal, en que esta última tiene valores de tensión de pocos milivoltios. Estos amplificadores necesitan la polarización en continua del transistor, definiendo así un punto de trabajo Q, en torno al cual se moverá dependiendo de la señal de entrada. En el estudio de la relación de tensiones y corrientes para pequeños cambios en torno al punto Q, se hace uso de los circuitos equivalentes en pequeña señal. Sin entrar en el estudio en frecuencia, las características más importantes en un amplificador son su ganancia, impedancia de entrada e impedancia de salida. 3
CONCEPTOS BASICOS SOBRE AMPLIFICADORES CUADRIPOLO: dispositivo con dos terminales de entrada y dos de salida. Normalmente, uno de los terminales de entrada y otro de salida se conectan a una referencia común (MASA). Un amplificador de tensión produce una señal de salida con la misma forma de onda que la señal de entrada, pero con mayor amplitud. La relación entre la señal de salida y la de entrada es la ganancia. 4
MODELO DEL AMPLIFICADOR DE TENSION El amplificador de tensión se modela utilizando una fuente controlada de tensión. El modelo incluye una resistencia Ri entre terminales de entrada, y una resistencia Ro en serie con los terminales de salida (la tensión Vo variará según el valor de la carga conectada a la salida según la ley de ohm). Resistencia de entrada: Ri = Vi / Ii Resistencia de salida: Ro = Vo / Io Ganancia de tensión en circuito abierto: Avo = Vo / Vi (si Io = 0 A) Ganancia de Potencia, de tensión y corriente P P S S S G = = = E V V E I I E A V A I Ni toda la tensión de la fuente de señal se aplica a la entrada del amplificador debido a Rs, ni toda la tensión producida por la fuente controlada aparece en bornes de la carga, debido a Ro. 5
FUENTES DE ALIMENTACION Y RENDIMIENTO La potencia necesaria por los circuitos internos de los amplificadores los proporciona una fuente de alimentación. El amplificador puede requerir varios niveles de tensión diferentes. La potencia total proporcionada es la suma de las potencias suministradas por cada nivel de tensión. La fuente de alimentación debe proporcionar las siguientes potencias: La potencia de salida menos la potencia de entrada desde la fuente de señal, y las pérdidas de potencia. Rendimiento, eficiencia η = (Po / Pi) 6
MEDIDAS EN DECIBELIOS La ganancia de potencia se suele expresar en decibelios (db), siendo G db = 10 log G = 10 log (Ps / Pe) Si la salida es mayor que la entrada (amplificador), la ganancia en db es positiva. Si la salida es menor que la entrada (atenuador), la ganancia en db es negativa. En amplificadores en cascada, la ganancia total es el producto de sus ganancias: G = G 1 *G 2 ; aplicando log en ambos miembros se obtiene G db = 10 log(g) = 10 log(g 1 *G 2 ) = 10 log(g 1 ) + 10 log(g 2 ) = G 1dB + G 2dB Ventajas al trabajar en db: se suman las ganancias y atenuaciones de cada etapa. Si G = Po/Pi = (VoIo)/(ViIi) = AvAi = (Av) 2 (Ri/Rl); siendo Ai = Av *Ri/Rl convirtiendo a db: G db = 10 log Av 2 + 10 log Ri 10 log Rl Si Ri = Rl, entonces se simplifica a AvdB = 20 log Av No confundir db con dbmv, dbw, dbmw igual a dbm. Son diferentes notaciones que dependen del nivel de referencia establecido. Ejemplos: dbv = 20 log ( V/ 1V) dbw = 10 log ( P / 1 w) dbmw = dbm = 10 log (P / 1 mw) 7
MODELOS DEL AMPLIFICADOR DE CORRIENTE TRANSCONDUCTANCIA Y TRANSRESISTENCIA Amplificador de tensión: (página 6) la propiedad de ganancia se presenta por una fuente de tensión controlada por tensión. Amplificador de corriente: la propiedad de ganancia se representa por una fuente de corriente controlada por corriente. En este caso la resistencia de salida está en paralelo. La ganancia de la fuente se llama de corriente en cortocircuito. Aisc = Iosc / Ie Amplificador de transconductancia: se modela con una fuente de corriente controlada por tensión. La ganancia de transconductancia en cortocircuito es Gmsc = Iosc / Ve Amplificador de transresistencia: se modela con fuente de tensión controlada por corriente. La ganancia de transresistencia en circuito abierto es Rmoc = Vooc / Ie 8
APLICACIONES CON REQUISITOS DE IMPEDANCIAS DE ENTRADA Y SALIDA En algunas aplicaciones (p.ej. voltímetro) si la impedancia de entrada es baja, se producirá una reducción variable de la tensión debida a la carga, de manera que la lectura no representaría la verdadera señal. Sin embargo, un amperímetro precisará de una resistencia de entrada baja para no modificar las características del circuito donde se está realizando la lectura de intensidad. Un amplificador de audio conectado a diferentes altavoces, la resistencia de salida podría influir en el número de altavoces activos en un instante. Un amplificador conectado a una fuente por medio de una línea de transmisión (p.ej. Cable coaxial) puede requerir una determinada impedancia de entrada: La impedancia característica del cable coaxial utilizado para señales de televisión es de 75 ohmios. (Anexo V.I) Si Re diferente de impedancia característica la señal se refleja. 9
DISTORSION La distorsión es un fenómeno no deseado que corresponde con una señal de salida no fiel a la de entrada. Esto se puede deber a la falta de linealidad del dispositivo amplificador, desigual distancia de las curvas del transistor, sobrepasar los límites de la zona lineal y a capacidades parásitas o asociadas al amplificador. Si la señal de entrada es senoidal y el punto de trabajo del transistor llega a corte o a saturación (ejemplo mostrado), la señal de salida ya no será senoidal, presentando una gran distorsión como se muestra en la figura. Si el desplazamiento del punto Q se restringe a la zona activa (razonablemente lineal) la señal de salida, podremos considerarla no distorsionada. 10
ANALISIS DE LA RECTA DE CARGA DE UN AMPLIFICADOR NMOS EN FUENTE COMUN Las fuentes de tensión de continua polarizan el NMOS en un punto de trabajo adecuado para amplificar adecuadamente la señal de entrada vin(t). Los puntos extremos de tensión vgs definen los puntos de máxima excursión del punto Q (puntos de corte con la recta de carga), obteniéndose así la Vds como amplificación de la señal de entrada. 11
CIRCUITO EQUIVALENTE EN PEQUEÑA SEÑAL PARA BJT Notación de señales Diferenciar entre las tensiones y corrientes en el punto Q (símbolos y subíndices en mayúsculas), la corriente instantánea total (símbolo en minúsculas y subíndice en mayúsculas) y la componente de pequeña señal (símbolo y subíndice en minúsculas). Pequeña señal: varios milivoltios (menor que Vt). El circuito equivalente en pequeña señal para el BJT es el indicado en la figura, obteniéndose el valor de rπ a partir del punto Q. VT β VT rπ = = I I A temperatura ambiente Vt = 0.026 v. Definiendo la transconductancia gm=β/ rπ se puede utilizar el segundo circuito equivalente: β β V ICQ gm = VT g m = r π BQ CQ sustituyendo r π = I CQ T 12
AMPLIFICADOR EN EMISOR COMUN Para determinar el circuito equivalente para pequeña señal, se realizan los siguientes pasos: Determinar el punto Q con la polarización en continua (se abren todos los condensadores). Cortocircuitar las fuentes de tensión de continua. Cortocircuitar los condensadores. Sustituir el BJT por sus equivalente. El valor de rπ se obtiene a partir del punto Q. Se aplican las leyes de circuitos. El condensador Ce se denomina condensador de desacoplo, proporcionando un camino de baja impedancia para la corriente alterna que va desde el emisor a masa. 13
CIRCUITO EQUIVALENTE EN PEQUEÑA SEÑAL PARA EL MOSFET DE ACUMULACION DE CANAL N (NMOS) La corriente o la tensión total es la suma del valor en el punto Q y la señal: i v D ( t) = I GS DQ ( t) = V + i GSQ d ( t) + v gs ( t) K 2 id = ( vgs Vp ) 2 K I DQ + id ( t) = GSQ gs p GSQ p gs 2 2 Desarrollando el miembro de la derecha, y despreciando Kv i ( t) = K( V d Por tan to, g m = K( V GSQ GSQ 2 K [ V + v ( t) V ] = [( V V ) + v ( t) ] V ) v V p p ) gs ( t) Circuito equivalente más complejo: 2 gs ( t) Las curvas características de drenador tienen ligera pendiente ascendente con respecto a Vds. Para tener en cuenta dicho efecto se dispone una resistencia rd, entre drenador y fuente. 14
NMOS EN FUENTE COMUN La señal alterna que ha de amplificarse es v(t). Los condensadores de acoplo C1 y C2, y de desacoplo Cs, tienen el propósito de presentar unas impedancias muy pequeñas para la señal alterna. Las resistencias R1, R2, Rs y Rd forman la red de polarización para obtener un punto Q adecuado. La señal de salida amplificada se aplica a la carga RL a través de C2. 15
RECTA DE CARGA DINAMICA Vg Vcc Rg C1 R1 Rc 0 C2 R2 Q1 Q2N2222 Re 0 0 0 Ic (Rc+Re) m= -1/R Q Vcc VCC Ce Vce 0 La Recta de Carga Dinámica se consigue a partir de la resistencia de carga R (R = Rc RL) para pequeña señal. Dicha R se obtiene del análisis de la malla correspondiente al colector (drenador, caso de FET), es decir calculando ic=f(vce) RL teniendo en cuenta las siguientes indicaciones: Cortocircuitando los condensadores (Ce y C2). Cortocircuitando las fuentes de tensión continua (VCC). Tener en cuenta que RL está en paralelo con Rc. La Recta de Carga Dinámica se traza a partir de la pendiente (-1/R) y del punto Q de polarización en continua, pues dicho punto es común a ambas rectas de carga (estática y dinámica). (y-yo) = m (x-xo) 16
ANEXO V.I. IMPEDANCIA CARACTERISTICA Se define la Impedancia Característica como la impedancia que presentaría teóricamente una línea de transmisión de longitud infinita, siendo Zo = V/I En la práctica, se coloca una carga al final de la línea con valor Zo. En un sistema que trabaja con máxima eficiencia, la impedancia del transmisor, receptor y línea de transmisión debe ser la misma para evitar reflexiones que degraden la señal. Para el caso del cable coaxial, siendo: Zo impedancia característica d el diámetro del conductor central. D el diámetro del cable. Er contante dieléctrica relativa al vacío Observar que no depende de la longitud. 17