EL42A - Circuitos Electrónicos Clase No. 19: Circuitos Amplificadores Lineales (7) Patricio Parada pparada@ing.uchile.cl Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Chile 15 de Octubre de 2009 1 /
Contenidos Amplificadores Multietapa Interconexión de Amplificadores Amplificadores en Cascada Amplificador Darlington Amplificador Cascodo 2 /
Amplificadores Multietapa Existen diversas aplicaciones en las que las especificaciones de un transistor no se pueden cumplir con un circuito amplificador basado en un solo transistor. Vamos a construir un circuito amplificador utilizando como bloques las configuraciones vistas en este curso. La interconexión puede ser en serie o cascada, o en paralelo o shunt. La ganancia total que se obtiene al interconectar estos bloques fundamentales dependerá de la ganancia de voltaje de cada uno de ellas, así como de las impedancias de entrada y salida de cada módulo. 3 /
Amplificador Multietapas de Voltaje I Consideremos el amplificador multietapas de voltaje mostrado en la figura Consideremos que la fuente del circuito está caracterizado por V s y R S. De la misma forma la carga del circuito es de tipo resistivo y de valor R L. Cada etapa está caracterizada por una ganancia nominal A vo y las resistencias R i y R o. 4 /
Amplificador Multietapas de Voltaje II La ganancia de voltaje del circuito amplificador de una etapa es A v = R i R S + R i R L R o + R L A vo. (1) Si utilizamos una segunda etapa de amplificación tendremos 5 /
Amplificador Multietapas de Voltaje III La ganancia de voltaje del circuito amplificador de dos etapa es A v = R i R L (A vo ) 2. (2) R S + R i R o + R L R o + R i R i En general, la conexión de n etapas en cascada se traduce en un aumento de la ganacia de voltaje igual a A v = R i R L (A vo ) n( ) n 1. (3) R S + R i R o + R L R o + R i R i La conexión en cascada tiene un efecto sobre la ganancia neta de voltaje, pero no sobre las resistencias de entrada y salida del circuito. 6 /
Amplificadores en Cascada I Consideremos el amplificador bipolar de la figura: 7 /
Amplificadores en Cascada II Ambos transistores están en la configuración de fuente común. El circuito equivalente para pequeña señal es el siguiente Recordamos que la ganancia nominal de cada etapa es A vo = g m R o donde R o es la impedancia de salida del circuito amplificador básico. 8 /
Amplificadores en Cascada III La ganancia real de voltaje queda dada por A v = g m1 g m2 (R C1 r π2 )(R C2 R L ) (4) R i + R s donde R i = R 1 R 2 r π1. La resistencia de salida del circuito sigue siendo R o = R C2. Un segundo tipo de conexión bastante utilizado corresponde al par Darlington (o simplee R i 9 /
Amplificadores en Cascada IV Una implementación equivalente puede realizarse utilizando transistores MOSFET. 10 /
Amplificadores en Cascada V El circuito equivalente para pequeña señal es Vemos que la ganancia de voltaje se puede determinar fácilmente: V gs2 = V o g m2 (R S2 R L ) 11 /
Amplificadores en Cascada V g m1 V gs2 R D1 = V gs2 + V o = 1 + g m2r S2 R L g m2 R S2 R L R 1 R 2 V gs1 = V i. R 1 R 2 + R Si V o Luego A v = g m1g m2 R D1 (R S2 R L ) 1 + g m2 R S2 R L R 1 R 2 R 1 R 2 + R Si (5) La impedancia de entrada del circuito sigue siendo R i = R 1 R 2. (6) 12 /
Amplificadores en Cascada VI La impedancia de salida la obtenemos relajando la fuente V i y aplicando una fuente V x en la salida (reemplazamos la carga R L por esta fuente). Dado que V gs1 = 0 entonces V gs2 = V x. 13 /
Amplificadores en Cascada VII Por otro lado, Luego, I x + g m2 V gs2 = V x R S2. R o = R S2 1 g m2. (7) 14 /
Amplificador Darlington I Un caso especial de amplificador en cascada corresponde a la utilización de un par Darlington como elemento central del amplificador. Esta configuración resulta útil en amplificación de corriente. 15 /
Amplificador Darlington II El circuito equivalente para pequeña señal es el siguiente 16 /
Amplificador Darlington III La ganancia de voltaje la podemos obtener planteado V i = V π1 + V π2 LCK (B2) : LCK (C2) : V π2 = V π1 + g m1 V π1 r π2 r π1 V o = g m2 V π2 g m1 V π1 R C Recordando que β = r π g m obtenemos V π1 = r π1 r π1 + (1 + β 1 )r π2 V i Similarmente V o = (β 2 (1 + β 1 ) + β 1 ) R C r π1 V π1. 17 /
Amplificador Darlington IV La ganancia de voltaje resultante es A v = (β 2(1 + β 1 ) + β 1 )R C r π1 + (1 + β 1 )r π2 La ganancia de corriente resulta directo de determinar: La resistencia de entrada es Recordar que g m = V T I CQ. Luego A i = β 1 + β 2 (1 + β 1 ) β 1 β 2. R i = V i I i = r π1 + (1 + β 1 )r π2. (8) I CQ1 = β 1V T r π1 ; I CQ2 = β 2V T r π2 18 /
Amplificador Darlington V Por otro lado I EQ1 = α 1 I CQ1 = I BQ2 = I CQ2 β 2. Como α 1 1 tenemos que Finalmente obtenemos que I CQ1 I CQ2 β 2 r π1 β 1 r π2. y R i 2β 1 r π2. La impedancia de salida del circuito la calculamos utilizando el método habitual. Es posible notar que V π1 = V π2 = 0 y por lo tanto R o = R C. 19 /
Amplificador Cascodo I El amplificador cascodo combina un amplificador de emisor común con uno de base común (o sus equivalentes para el caso de implementarlo utilizando transistores MOS). 20 /
Amplificador Cascodo II El circuito equivalente AC remueve las resistencias R 1 y R E del circuito. Por lo tanto, el equivalente para pequeña señal es Notamos que V π1 = V s y A v = g m1 α 2 R C R L. (9) Notar que α 2 1, por lo que la ganancia del circuito completo es esencialmente la de la etapa de emisor común. 21 /
Amplificador Cascodo III La impedancia de entrada es R i = R 2 R 3 r π1. La impedancia de salida la determinamos fijando V s = 0. Luego, V π1 = 0. Por otro lado, V π2 r π2 = g m2 V π2 = β 2 r π2 V π2. Como esta ecuación es válida para cualquier β 2, la única solución posible es V π2 = 0. Finalmente, R o = R C. 22 /
Amplificador Cascodo IV El cascodo también puede ser implementado utilizando transistores MOS. En este caso el transistor M 1 está conectado en el modo de fuente común, y el transistor M 2 en el modo de compuerta común. Esta configuración tiene una mejor respuesta en frecuencia que cada uno de sus módulos por separado. 23 /
Amplificador Cascodo V El modelo equivalente para pequeña señal es La ganancia de voltaje es A v = g m1 R D. La impedancia de entrada es R i = R 3 R 2. La impedancia de salida es R o = R D. /