Ient Isal

III UNIDAD

III.- AMPLIFICADORES

3.1.- INTRODUCCIÓN

En general en cualquier dispositivo que aumenta dinámicamente ya sea el voltaje, la corriente o la potencia es un amplificador.

Un amplificador como el de la figura anterior es un circuito electrónico que recibe una señal de entrada, la procesa internamente y entrega a la salida una señal que es una réplica ampliada de la señal de entrada.

Los amplificadores solo manejan señales eléctricas de corriente, voltaje o potencia o representaciones eléctricas de cantidades físicas como son: voz, sonido, temperatura, luz, etc. La conversión de estas últimas en señal eléctrica o conversa la efectúa transductores, como son portales, micrófonos, cámaras, termistores.

Las señales eléctricas son amplificadas por dispositivos activos como: trasmisores, fet´s, circuitos integrados, válvulas, etc., asociados a componentes pasivos como: resistencias, capacitores, bobinas, transformadores, etc.

La complejidad de un amplificador depende del tipo de señal a amplificar y de la cantidad de la amplificación o ganancia que esta requiera. Independientemente de su complejidad todos los amplificadores tienen en común las siguientes características:

A) Todos utilizan por lo menos un dispositivo activo, ya sea transistor bipolar, fet´s, mosfet´s, circuito integrado, bulbos, etc.

B) Todos requieren de una fuente de alimentación de corriente continua doble o sencilla.C) Su operación puede resumir especificando la ganancia, la imperancia de entrada, la

imperancia de salida y la respuesta de frecuencia.

La ganancia es una medida de la cantidad de amplificación. Se defina como la relación numérica de la señal de salida entre la señal de entrada, se habla de ganancia de corriente, ganancia de voltaje y ganancia de potencia. Esto es:

La ganancia de un amplificador puede también expresarse en decibeles (dB), como sigue:

Vent Vsal

Zent Zsal

GI=Isal

Isal

Gananci

Corriente

Gv=Vs

VEGp=

Ps

PE

Isal

GI(dB)=20 log

GV(dB)=20 log

GP(dB)=10 log

Ejemplo:

Si la potencia de entrada de un amplificador es de ½ watt y la potencia de salida de 5 watt, la ganancia en decibeles es:

GP(dB)=10 log (5/0.5)

GP(dB)=10 dB

Una relación de potencia de 10 corresponde a un cambio de 10 dB, una relación de potencia de 100 corresponde a un cambio de 20 dB y de 1000 a 30 dB.

El oído humano responde logarítmicamente a la relación de potencias y no a su diferencia, por esta razón se recibe el mismo cambio de intensidad sonora, cuando la potencia de un sonido se incrementa de 0.1 w a 1 watt que cuando lo hace de 1 w a 10 watt. En ambos casos la relación de cambio es de 10 dB.

PE PS

0.1 w 1 w= 0.9 w= 10dB

1w 10 w= 9 w= 10dB

La impedancia de entrada es la resistencia del amplificador vista por la fuente que genera la señal que va a ser amplificada. Se define como la relación del voltaje entre la corriente en las terminales de entrada del amplificador.

Ient

VS

VE

PS

PE

=10

1

Zent=Vent

IentZsal=

Vsal

Isal

AMP

Carga

Amplificador

Impedancia de entrada

Zent

Zsal

Rcarga

La impedancia de entrada depende no solamente de la resistencia de entrada del elemento activo de amplificación, sino también de la resistencia de capacitores, resistores, inductores, etc., en el circuito.

La existencia de una impedancia de salida finita, causa una pérdida de voltaje en las terminales de salida de un amplificador, cuando se conecta entre los mismos de una carga.

3.2 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN AMPLIFICADOR DE VOLTAJE.

Para garantizar la máxima transferencia de voltaje entre una fuente de señal y de una carga, la resistencia de una carga debe ser grande comparada con la resistencia interna de la fuente. Como regla general la impedancia de entrada es mayor o igual a 10 veces que la resistencia interna de la fuente y la resistencia de carga es mayor o igual a la impedancia de salida.

Así mismo para garantizar la máxima transferencia de potencia entre una fuente de señal y una carga, la resistencia de la carga debe ser igual a la resistencia interna de la fuente, esto implica que:

Fuente De señal

Rintf

Señal

PotMAX = VocMAX=

Rcarga = Rint f Rcarga¿Rint fuente

Rint f =Zint Zent≥10 Rint f

Zsal = Rcarga Rcarga ≥Zsal

La respuesta de frecuencia de un amplificador esta internamente relacionada con la ganancia, generalmente la ganancia de un amplificador no es constante para todas las frecuencias de señales posibles, esto es que dos o más señales de la misma amplitud y forma de orden pero de frecuencias diferentes, no reciben necesariamente la misma cantidad de amplificación. Por esto cuando se especifica la ganancia de un amplificador, debe también espesificarse el rango de frecuencia dentro de la cual es válida esa ganancia.

Este rango recibe el nombre de ancho de banda del amplificador y se expresa en unidades de frecuencia, que son los Hertz (múltiplos y submúltiplos).

El ancho de la banda de un amplificador también se puede especificar en términos de límites. Estos límites se denominan frecuencias de corte superior e inferior. La banda de 30 hertz a 20 kilo Hertz es el rango de frecuencias que puede ser percibido por el oído humano; las frecuencias mayores de 20 kilo Hertz se denominan ultrasónicas y las menores de 30 hertz de denominan subsónicas.

3.3 CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES.

Los circuitos amplificadores se pueden clasificar de barias maneras.

A) Cuando los amplificadores se clasifican según su aplicación, se dividen en dos grupos que son: amplificadores de voltaje o de tensión y amplificadores de potencia o corriente.

B) Cuando los amplificadores se clasifican de acuerdo a sus condiciones de polarización, se divide en 4 clases, que son: A, AB, B, C.

o Los amplificadores clase A están polarizados para que trabajen en el centro de su curva de su curva de operación, por la cual la corriente de salida fluye durante todo el ciclo de voltaje de entrada, por lo cual no existe distorsión.

o Los amplificadores de clase AB están polarizados de manera que la corriente de salida fluya durante un lapso mayor que un semiciclo de entrada, pero menor que un ciclo completo.

o Los amplificadores B están polarizados al corte, de modo que fluya la corriente de salida por un semiciclo de voltaje de entrada.

V

t

A

V

t

AB

V

tB

V

t

o Los amplificadores clase C están polarizados más allá del corte, de modo que la corriente de salida solo fluye durante el tiempo de corriente positiva del ciclo de entrada.

C) Cuando los amplificadores se clasifican de acuerdo con su acoplamiento se divide en 4 métodos básicos que son: acoplamiento de resistencia capacitancia, acoplamiento por independencia o bobina, acoplamiento por transformador y acoplamiento directo.

1 lógico

0 lógico

++

+ _

Placa ánodo

Vsal

Vent

Vsal

Ganancia

Frecuencia

c

Vsal

ventc

vsal

g

f

Vent

reja

Vent

Vsal

Transf.

Vent

Vsal

g

f

directo

Vent

Vent

Vsal

f

D) Los amplificadores se clasifican según el ancho de la banda, se divide en dos tipos que son, los sintonizados y los no sintonizados.

E) Cuando los amplificadores se clasifican según la frecuencia se dividen 5, que son: corriente continua, audiofrecuencia, frecuencia intermedia, radiofrecuencia y videofrecuencia.

F) Cuando los amplificadores se clasifican de acuerdo a su configuración, se divide en 3 tipos, que son: emisor común, colector común y base común.

Vent

g

G(s)

H(s)

E(s)

C(s)

B(s)=C(s) H(s)

Con letras mayúsculas = dominio de la frecuencia

3.4 EL AMPLIFICADOR CON RETROALIMENTACIÓN

Los amplificadores operacionales (A.O) reciben este nombre debido a que se utilizan en las computadoras para efectuar operaciones matemáticas, como: sumar, restar, promediar, integrar, etc.

El A.O es un tipo especial de amplificador de C.C. de alta ganancia, que emplea cantidades considerables de realimentación. Un amplificador de C.C. amplifica cualquier señal de cualquier frecuencia, desde C.C. hasta un cierto valor máximo de C.A., que depende de las características del amplificador. El principal objetivo de los A.O es vencer las perdidas y las cargas que se producen cuando se conectan entre si barios circuitos calculadores pasivos. El amplificador de alta ganancia con alta realimentación cumple con los requisitos de mantener una impedancia alta a la entada del circuito y mantener baja la impedancia de salida del circuito, o sea que el A.O es un dispositivo ideal para aislar una carga de un circuito de cálculo sin introducir pérdidas.

La figura siguiente muestra la disposición esquemática de un amplificador que incorpora una malla re alimentadora.

Función de la transferencia (ft)sin lazo= = G(s)

Ft lazo abierto= B(s)= C(s) H(s)

E(s)= R(s)± B(s)

Ft lazo cerrado= =

En esta última ecuación se observa que la salida del sistema de lazo cerrado C (5) depende de tanto de la función transferencia de la lazo cerrado como de la naturaleza de la entrada, la función con re alimentación negativa siempre es menor que la amplificación que se obtiene sin re alimentación.

La ventaja es que un amplificador con re alimentación negativa, la distorsión y el ruido se reducen y la respuesta a la frecuencia y a la estabilidad mejora en la misma proporción en que se reduce la amplificación.

R(s)

C(s)

E(s)B(s)

E(s)

C(s)

R(s) 1±G(s) H(s)

G(s)

G1(s)

G2(s)

H(s)

R(s) E(s)

B(s)

N(s)

C(s)

3.5 AMPLIFICACIÓN CON REALIMENTACIÓN Y PERTURBACIÓN.

Si R(s) = 0 => F.t = =

Si C(s)= 0 => F.t = =

Ctotal (s)= CN(s)+CR(s)

= =

Ctotal= [N(s)+G1(s) R(s)]

Otra ventaja del sistema del lazo cerrado es que si el valor absoluto del producto G 1(5) H(5) es mucho mayor que 1 y el valor absoluto de G1(5) G2(5) H(5) es mucho mayor que 1, la función de

transferencia (F.f) de lazo cerrado C R (5)

N ( 5)

se convierte en casi 0 y se suprime el efecto de la

perturbación N(5).

Por otro lado, la F.f lazo cerrado CR (5 )

R (5 ) tiene el valor inverso de H(5) , cuando la ganancia de

los productos G1(5), G2(5), H(5) aumenta esto significa que el valor absoluto del producto de G1(5),

G2(5) es mucho mayor que 1, la F.f de lazo cerrado CR (5 )

R (5 ).

3.6 GENERALIDADES DEL A.O.

C(s)

N(s) 1±G1(s) H(s) G2(s)

G2(s)

CR(s)

R(s) 1±G1(s) G2(s) H(s)

G1(s) G2(s)

1±G1(s) H(s) G2(s)

G2(s) N(s)

1±G1(s) G2(s) H(s)

G1(s) G2(s) R(s)

1±G1(s) G2(s) H(s)

G2(s)

Amplificador diferencial

InversorAmplificador lineal de alta

ganancia

Amplificador de salida o potencia

Vsal

No inversora

_

+

V1

V2

Inversor

No inversor

Vsal

Al A.O. se le considera un amplificador universal, ya que versatilidad y facilidad se le hace practico en varias aplicación, los A.O. contienen más de 1 cadena de transistores, diodos y resistencias, son utilizados en casi todas las aplicaciones de amplificadores o también para realizar operaciones matemáticas. Ofrece una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. Un A.O. típico internamente se le puede representar mediante 4 etapas principales.-

DIAGRAMA A BLOQUES DEL A.O.

SIMBOLO DEL A.O.

Como existe una gran variedad de A.O., aunque de los más utilizados en la industria y en laboratorios escolares para análisis de uso se encuentra el MA741. Todos los A.O. son similares entre sí en cuanto su estructura interna y las etapas mostradas en el diagrama de bloques.

3.7 CRACTERISTICAS DE LOS A.O.

1.- Tienen 2 entradas, una inversora y otra no inversora. Las señales aplicadas a la entrada inversora aparecen a la salida desfasada 180° con respecto a la entrada y las aplicadas en la entrada no inversora no alteran su fase.

V1

V2

+_ _

+

Desfasada 180°

Vsal

V1

V2

Ve

2.- Ganancia infinita (en realidad varia su ganancia 104- 1012).

3.- Ancho de banda infinita (en realidad varía desde 0- 108 Hertz).

4.- Impedancia de entrada infinita tanto a las 2 terminales de entrada como entre cada entrada y tierra (en realidad 104- 1012Ω).

5.- Impedancia de salida cero (en realidad varía de 5 a 500Ω).

6.- Posibilidad de manejar una corriente infinita a la salida (en realidad 27 mili ampere=Icc).

7.- Voltaje de offser de entrada nulo.

8.- Corriente de entrada nula.

9.- Amplificación diferencial con rechazo infinito.

10.- Temperatura 18 a 21°.

3.8 CIRCUITO EQUIVALENTE.

3.9 ENCAPSULADO.

1

2

3

4

5

10

9

8

7

6

V1V2

Vsal

+Vcc

V1

V2Vsal

+_

_+

Desfasada 180°

3.10 RAZÓN DE RECHAZOEN MODO COMÚN RRMC.

Normalmente se utiliza el A.O. para amplificar la diferencia de 2 señales de entrada, operando como modo diferencial.

Un voltaje sumado a las 2 entradas no afectaría a la diferencia por lo que no se debería transferir a la salida. Pero en la práctica esta constante afecta al voltaje de salida. Ahora bien, sí solo se considera las partes iguales de las entradas se tiene lo que se conoce como modo común.

V1

V2

Vsal

+5

-5

V1

V2

Cuando se tiene un A.O. con sus entradas conectadas a una misma fuente, el voltaje de salida en el caso de un A.O. ideal sería cero,

pero realmente no sería así, entonces la razón del voltaje de salida al voltaje de entrada aplicada es la ganancia de voltaje es de modo común (GMC). Por lo cual la razón de rechazo modo común (RRMC) se define como la razón de la ganancia lazo abierto (Ad) entre la ganancia en modo común (GMC), o bien en decibeles, sería:

RRMC= RRMC(dB)=20 log10 [ ]

Los valores típicos de la RRMC son de 80 a 100 dB.

3.11 PSRR

Es la razón de rechazo a la fuente de alimentación. Es la medida de la capacidad que el A.O. tiene para no tomar en cuenta cambios en la forma de voltaje en la alimentación. Si la etapa de salida de un sistema demanda una cantidad variable de corriente, la fuente de alimentación podría cambiar; este cambio que induce la carga en la fuente, podría provocar cambios en la operación de otros amplificadores conectados a la misma fuente; a esto se le llama diafonía y provoca inestabilidades.

Entonces la PSRR es la razón de cambio de voltaje de salida entre el cambio total de voltaje de alimentación.

|Ad|

|Gmc|

|Ad|

|Gmc|

Frecuenciaf1

fc

1

100% AVD

70%

B10

Para comenzar estas variaciones, la fuente de alimentación se debe de aislar entre los grupos de A.O., la forma de hacerlo en la práctica es colocando capacitores entre las terminales de la fuente de alimentación de 0.1μf (micro farad) sí es de tantalio.

3.12 GANANCIA ANCHO DE BANDA

Como el amplificador operacional tiene circuitos de compensación interna, la ganancia de voltaje cae conforme se incrementa la frecuencia. Las especificaciones del A.O. proporcionan una descripción de la ganancia en función del ancho de banda. La grafica siguiente undica la ganancia en función de la frecuencia.

La grafica indica que si se baja la frecuencia hasta corriente directa (cero), la ganancia se convierte en el valor listado por la especificación ganancia de voltaje de diseño (A VD); por lo general tiene un valor muy grade.

Si la frecuencia de la señal de entrada va aumentando, la ganancia de lazo abierto cae hasta que finalmente llega al valor de 1. La frecuencia de este valor de ganancia la especifica el fabricante como el ancho de banda de ganancia unitaria B1. Aunque este valor es una frecuencia en que la ganancia es 1, se considera un ancho de banda puesto que la banda de frecuencia desde cero hasta la frecuencia de ganancia unitaria también es ancho de banda. Por lo tanto se hace referencia el punto donde la ganancia se reduce a 1, como la frecuencia de ganancia unitaria f1 o el ancho de banda de ganancia unitaria B1.

La frecuencia de corte fc dela.O.se encuentra relacionada con la ganancia en f1 mediante la siguiente relación:

f1=AVDfc

Esta ecuación indica que la frecuencia de ganancia unitaria f1 también se llama producto ganancia ancho de banda del A.O.

3.13 DESPLAZAMIENTO DE FASE

Si se tiene una señal sinusoidal en la entrada inversora del A.O., la señal de salida estará 180° fuera de fase con respecto a la entrada. El desplazamiento de fase entre

Av

+

_

V

t

VsalV1

V2

_+

V

t

Teoría Práctica

La entrada y la salida disminuyen conforme aumenta la frecuencia de la señal de entrada en los amplificadores en la práctica. En frecuencias altas la diferencia de fase se aproxima a cero y una parte de la señal de salida se retroalimenta en la fase, provocando que la retroalimentación cambie de negativo a positivo y el amplificador oscila.

Eso es tomando en cuenta por los fabricantes por lo que añaden un filtro interno, con el objetivo que el amplificador tenga una ganancia menor a la unidad, si la diferencia de fase se aproxima a cero, y no se presenta oscilación con retroalimentación positiva si la ganancia es menor que 1. Esta modificación del A.O. se le conoce como compensación interna de frecuencia. Si el fabricante no incluye esta compensación, se coloca un capacitor externo para este fin.

3.14 SR (RAZÓN DE CAMBIO).

En realidad un A.O. tiene una respuesta que depende de la frecuencia. Si se intenta llevar a la salida de un extremo con la aplicación de una señal escalón, la transición de los 2 extremos no es instantánea. La velocidad de cambio en el voltaje de salida bajo estas condiciones de entrada se le llama razón de cambio (SR); el SR es una medida de rapidez con la cual pede cambiar la señal de salida.

V

t

+15V

-1530V -2V

28V

28v pico

a pico

La limitación por el SR se debe a que el A.O. es incapaz de excitar rápidamente cargas capacitivas internas o externas, estas cargas limitan las frecuencias a las cuales responde el amplificador. Mientras aumente la frecuencia del tren de pulsos en la entrada, la capacidad para reproducir la onda cuadrada se deteriora ya que los pulsos se traslapan.

La razón de cambio de relaciona con el ancho de la banda de potencia Fp, que se define como la frecuencia a la cual una señal senoidal de salida en un voltaje determinado comienza a distorsionarse.

Vsal=V sen 2π fp t

Por lo tanto la áxima pendent SR=2π fp v y el ancho de banda de la potencia está dado por

fp= .

3.15 EXCURSIÓN MÁXIMA DE SALIDA DE C.A.

Es el máximo voltaje pico a pico de salida sin recorte que puede provocar un A.O.

3.16 CONFIGURACIONES BÁSICAS.

De acuerdo a la disposición del circuito construido con el amplificador operacional es el nombre que recibe, se puede clasificar de la siguiente manera.

3.17 CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES POR SU CONFIGURACIÓN.

LINEALES.- Ejemplos, amplificador inversor, amplificador no inversor, amplificador restador, amplificador sumador, amplificador de baja frecuencia, filtros pasivos.

NO LINEALES.- filtros activos, comparadores, integradores, derivadores, convertidores de forma de onda, generadores de onda.

3.18 INVERSOR.

SR2πv

+

R1

+

--

VsalVent

Vsal

AV=

VsalVent

= -R2R1

R2

R1

R2

Vsal Vsal

Vent

Av= 1+ R2R1

R2

R1

V1

V2

R2

-

+

Vsal

R realimentación= R2

Vsal=

R2R1 (V2-

V1)+

A1A2

V1-V2

2

3.19 NO INVERSOR.

3.20 RESTADOR Ó DIFERENCIADOR.

Ra

Rb

Rc-

+

Vsal

Va

Vb

Vc

Rrealimentación= R2

Vsal=-

R2R1

(V1+V2+V3)

Fc=f1

B1

Vent

R1

R2

Vsal-+

3.21 SUMADOR.

3.22 AMPLIFICADOR DE BASE DE FRECUENCIA (0-100 HERTZ).

3.23 AMPLIFICADOR DE INSPECCIÓN (0-20 HERTZ).

La consideración principal para el cálculo de las resistencias es saber la frecuencia máxima a la cual trabajará el amplificador; que para este ejemplo es de 20 Hertz. Para ello se cuenta con el A.O. MA741, cuyo ancho de banda es de 1 mega Hertz con una ganancia de lazo abierto de 100000.

La ganancia de voltaje a 20 Hertz es = = 50000

Con este resultado ahora se calcula la resistencia para el circuito amplificador inverso considerando una resistencia R1 de 100Ω.

R2= AVD x R1= 500000x 100 Ω= 5 Mega Ω

El valor de esta resistencia es relativamente grade, esto es debido a que la ganancia de voltaje es grade, lo cual limita a tener señales de entrada relativamente pequeña que del orden de los mili volts. Esta señal de entrada se puede calcular considerando una señal de salida de 5 volts.

100%

f1

fc

1 MHz20 Hertz

AVD

Vent

RC

Vsal=

1Rc

Vent (t) dt-

+

Vent

-

+

C

R

Vsal= -Rcd Vent

dt

3.24 FILTROS.

PASIVOS ACTIVOS

LINEAL.

NO LINEAL.

3.25 INTEGRADOR.

3.26 DERIVADOR.

3.27 MEZCLADOR

-

+

R2

Vent

R1

Ra

RbVa

Vb

V

t

V

t

V

t

-

+Vent

Vsal= Vent

3.28 SEGUIDOR DE VOLTAJE.