AMPLIFICACIÓN DE TENSIÓN 2.

Para obtener una mayor ganancia de tensión, se puede unir en cascada dos o más etapas de amplificadores. Estos es, usar la salida de la primera etapa como entrada de la segunda etapa. De la misma manera, podríamos usar la segunda etapa como entrada de una tercera, y así sucesivamente. Aunque tiene un precio a pagar cada nueva etapa.

Ganancia de tensión multietapas.

Es muy común en amplificación usar el concepto de etapas amplificadoras para obtener mayor tensión de salida de señal a la salida del amplificador. Simplemente en lugar de llevar la salida del amplificador, se lleva a la entrada de otra etapa similar para que se produzca una amplificación de la señal ya preamplificada previamente (obviamente a un nivel mayor al anterior).

Observa que si la primera etapa invertía la señal 180º, la segunda etapa la vuelva a invertir, con lo que la señal a la salida de la segunda etapa se queda como cuando se entraba es decir con una inversión cero, es decir 0º, sin inversión de fase. Analizemos el circuito anterior:

Ganancia de tensión en la primera etapa.

rc = RC||zin(etapa)

La ganancia de tensión en esta primera etapa viene por lo tanto dada por la siguiente fórmula:

Graficamente se puede ver que la carga de la primera etapa es la entrada de la segunda etapa según la siguiente imagen:

Ganancia de tensión en la segunda etapa.

rc = RC||RL

Por lo que la ganancia de tensión en la segunda etapa viene dada por la ecuación de la ganancia:

Ganancia total.

Variación de la ganancia.

La ganancia de la tensión en un amplificador en EC cambia con las corrientes de polarización, las variaciones de temperaturas, la sustitución del transistor, etc., etc., al variar los valores de r'_e y β. Existen varias opciones para mejorar estas variaciones.

Realimentación de emisor para corriente alterna.

Una forma de estabilizar la ganancia es dejar sin desacoplar parte de la resistencia de emisor, como se ve en la imagen anterior. Cuando la corriente alterna fluye a través de la resistencia de emisor sin desacoplar re, una tensión alterna aparece en ella. Eso produce una tensión alterna en ella (ya que el condensador no está conectado en paralelo a dicha resistencia). Eso produce una realimentación negativa que se opone a los cambios en la ganancia de tensión. Por lo tanto la resistencia de emisor sin desacoplar se llama resistencia de realizamentación porque tiene una tensión alterna que se opone a los cambios en la ganancia de tensión.

Ganancia de tensión.

vin = ie(re + r'e

En el colector, la fuente de corriente proporciona una corriente de i_c a través de la resistencia de colector. Así la salida es Vout = icr x rc. Si dividimos la salida entre la entrada obtenemos la ganancia:

Y como ic ≈ ie podemos simplificar la ecuación a:

Lo cual se puede seguir simplificando mucho mas aún cuando r_e es mucho mayor que r'_e quedando:

Impedancia de entrada de la base.

En la imagen anterior el circuito equivalente en T se puede derivar la fórmula siguiente:

zinbase = Vin ÷ ib

Si aplicamos la ley de Ohm al diodo emisor de dicho circuito, podemos sacar la fórmula:

vin = ie(re + r'e)

Qué si sustituimos por la primera obtendremos:

zinbase = (re + r'e) ÷ ib

Y como ie ≈ ic, podemos decir que:

zinbase = β(re + r'e)

Lo que es un amplificador en emisor común sin desacoplar y que se queda de la forma:

Lo que quiere decir que la impedancia de entrada de la base es igual a r_e incrementada un número de veces igual a la ganancia de corriente.

Menos distorsión.

A = rc ÷ r'e

Como r'e varía con la corriente, su valor cambia con las señales grandes. Es decir r'_e provoca distorsión en señales grandes.

Ejercicio resuelto.

Calcula en el siguiente circuito la tensión de salida en la carga si β = 200 sin tener en cuenta r'_e y teniendolo en cuenta.

Primero tenemos que calcular la impedancia de entrada de la base del transistor. Recuerda que esta se calcula por β por la resistencia física que está conectada directamente a la base en este caso la resistencia de 180Ω que es la r_e

zinbase = βre = 200 x 180Ω = 36KΩ

Ahora se calcula la impedancia de la etapa, es decir la impedancia de entrada que forma el transistor junto al divisor de tensión conectado a su entrada:

zinetapa = 10KΩ||2,2KΩ||3,6KΩ = 1,71KΩ

Ahora que hemos calculado la impedancia del transistor y la de la entrada, podemos calcular con la fórmula de la tensión de entrada, la misma:

vin = [1,71KΩ ⁄ (600Ω + 1,71KΩ)] x 50mV = 37mV

Y esto nos da una ganancia de tensión de:

A = rc ÷ re = 2,65KΩ ÷ 180Ω = 14,7

Y para terminar, derivando de esta fórmula:

vout = 14,7 x 37mV = 544mV

Teniendo en cuenta r'_e

Solo tenemos que sumar el valor de r´_e a cada fórmula como verás a continuación:

zinbase = β(re + r'e = 200 x (180Ω + 22,7) = 40,5Ω
zinetapa = 10KΩ||2,2KΩ||40,5KΩ = 1,72KΩ
vin = [1,72KΩ ⁄ (600Ω + 1,72KΩ)] x 50mV = 37mV
A = rc ÷ re + r'e = 2,65KΩ ÷ 180Ω + 22,7Ω = 13,1
vout = 13,1 x 37mV = 485mV

Por lo que como has podido comprobar cuando el amplificador está acoplado con resistencia alterna, se pierde parte de la ganancia ya que es lo esperado en este tipo de amplificadores.

Realimentación con 2 etapas.

Cuando en un amplificador se utilizan varias etapas, utilizar la resistencia de emisor sin desacoplar tal vez no sea la mejor opción, ya que existen mejores alternativas para reducir la ganancia en la etapa posterior y evitar saturación de señal. Entre esas opciones están la realimentación entre dos etapas.

En el circuito superior puedes ver dos etapas acopladas. La primera etapa tiene una resistencia de emisor sin desacoplar r_e. La segunda es un amplificador en EC con el emisor a tierra para producir la máxima ganancia en la etapa. Pero de esta segunda etapa, de la salida a través de un potenciómetro y una resistencia de acoplamiento, se inyecta "parte" de la señal de salida de la segunda etapa a la primera etapa y directamenta a la resistencia sin desacoplar. A la resistencias de acoplamientos entre etapas (como es un conjunto serie, las voy a sumar), y las voy a llamar r_f, por lo que la tensión en el primer emisor y tierra es:

ve = (re ÷ rf + re)vout

Imagina que un incremento de temperatura produce un aumento de tensión de salida. Como parte de la tensión de salida realimenta el primer emisor (porque es una realimentación positiva), aumenta v_e. Esto hace disminuir vbe y vc en la primera etapa, lo que disminuye v_out. Por otro lado si la tensión de salida intenta disminuir, vbe y v_out aumentan, por lo que cualquier cambio que se produzca en el amplificador cambia oponiendose al cambio inicial. El cambio es más preciso que si no existiese la realimentación.

Ganancia de tensión en multietapa realimentada.

A = (rf ÷ re) + 1

Aunque en la mayoría de los diseños se puede obviar la suma (y que más adelante veremos los casos en que se pueden obviar).