Realimentación.

Aunque será en el siguiente capítulo cuando lo veamos en detalle, en esta práctica se darán los conceptos básicos de los aspectos que ha de tener un diseñador para construir un amplificador de potencia (modo de empleo, consecuencias, ventajas de utilización, incovenientes, etc) así como analizaremos varios circuitos prácticos donde se tratara la inclusión de estos factores a la hora de diseñar un amplificador.

Realimentación.

La realimentaciónes uno de los factores más importantes a la hora de diseñar un amplificador de potencia. Se dice que existe realimentación cuando intencionadamente se introduce parte de la variable señal de salida (tensión o corriente) a la entrada según el diagrama de bloques siguiente:

diagrama de bloques amplificador realimentado

Como puedes ver en el diagrama superior, a la salida del amplificador parte de la señal de salida se reinyecta a la entrada y dependiendo del tipo de realimentador puede ser positivo o negativo. Analizando los bloques, en un amplificador sin realimentar es decir si la señal solo se transmite desde el generador pasa por el amplificador y sale hacia la carga, la ganancia a la salida es:

A = vs ÷(vg - vr)

Si tenemos en cuenta la red de realimentación en la cual parte de la señal de salida se inyecta a la entrada del amplificador, la ganancia estática vendría definida como una ganancia estática ya que es una red pasiva.

β = vr ÷ vs

Por último si tenemos en cuenta el camino por donde se reintroduce a la entrada del amplificador podemos obtener que la ganancia total del amplificador realimentado viene dado por la fórmula siguiente:

ganancia con realimentación

Expresión que deriva de asignar las redes anteriores. El denominador 1 + Aβ se llama diferencia de retorno, mientras que el valor Aβ se llama ganancia de lazo.

Y es muy habitual indicar en decibelios la cantidad de realimentación introducida por el amplificador. Para ello se usa la expresión:

ganancia con realimentación

Tipos de realimentación.
Si la porción de señal que se introduce en la red de realimentación se suma con la propia señal de entrada, reforzándola, la señal se dice positiva; si se resta, entonces se dice negativa.

El hecho de que la realimentación sea positiva o negativa depende de las funciones de transferencia A y β. En cualquier caso la realimentación será:

● POSITIVA: Si |1 + Aβ|< 1, con lo cual aumentará la ganancia del amplificador con relación a un amplificador sin realimentar.
● NEGATIVA: Si |1 + Aβ| > 1, con lo que disminuirá la ganancia del amplificador realimentado en relación a otro sin realimentar.
● Si |1 + Aβ| = 0 entonces Aβ = -1 y Ar = ∞. Este es un caso indeseado ya que el amplificador empezaría a oscilar.

Esta distinción entre realimentación positiva y negativa es básica puesto que de ella depende el funcionamiento y características concretas de los circuitos realimentados. En amplificación por lo general vamos a utilizar la realimentación negativa mientras que la realimentación positiva se va a quedar para los osciladores.

Configuraciones de la realimentación.

En la amplificación te vas a encontrar 4 configuraciones posibles de realimentación que paseré a repasar a continuación.

Realimentación del tipo tensión - tensión o serie - paralelo.
En este caso la tensión de salida se realimenta a través de la red de realimentación β también en forma de vr a la entrada del amplificador.

realimentación serie- paralelo

El circuito de amplificación con realimentación lo puedes ver en la siguiente figura en la que la salida del condesador se lleva directamente a través de la resistencia Rf al emisor para su reinyección.

realimentación serie-paralelo o tensión-tensión

Realimentación tensión - corriente o serie - serie.
En el caso del siguiente diagrama, la corriente de salida is se realimenta a través de la red β en forma de tensión vr a la entrada del amplificador.

diagrama de realimentación serie-serie

En este circuito real sería un simple circuito con montaje en emisor común con resistencia de emisor no desacoplada, es decir montaje habitual.

Realimentación de corriente - tensión o paralelo - paralelo.
El caso del diagrama siguiente la tensión de salida vs se realimenta a través de la red β en la forma de corriente ir a la entrada del amplificador.

diagrama de realimentación paralelo - paralelo

El circuito real equivalente muestra una configuración de realimentación de corriente - tensión. La tensión de salida es la variable que se realimenta a través de la resistencia de R1.

realimentación del tipo corriente - corriente o paralelo - serie.
Para terminar esta configuración se realimenta a través de la red β en forma de corriente ir a la entrada del amplificador.

realimentación con corriente-corriente

En este caso el circuito mostrado muestra una resistencia de realimentación entre las dos etapas como se ha visto en el anterior.

realimentación con realimentación entre etapas

Ventajas de la realimentación negativa.

El uso de las técnicas de realimentación negativa en amplificadores de potencia y en otro cualquier tipo de amplificador, proporciona una serie de ventajas que hacen que sean utilizadas en la mayoría de los diseños.

Las principales ventajas son:

Mejora de la distorsión introducida por el amplificador.
La ganancia del amplificador depende de sus elementos activos que no son lineales. Las funciones de transferencia entrada/salida de los amplificadores reales, por desgracia no son lineales, lo cual implica que estos siempres añadan distorsión a la señal que se desee amplificar.

El problema se agudiza en los amplificadores de potencia al incrementarse los efectos de las alinealidades de los elementos activos al trabajar con grandes señales.

En un amplificador realimentado se cumple que Aβ >> 1

Entonces al ganancia puede aproximarse por:

Ar = A ÷ 1 + βA = A ÷ β

La red β puede estar formada por resistencia y condensadores, elementos que son más estables y lineales que los elementos activos con lo cual se pueden obtener funciones de transferencia casi lineales incluso para gran potencia de señal.

Mejora la sensibilidad de la ganancia.
La ganancia de un amplificador depende siempre de los parámetros de los dispositivos activos en mayor o menor medida. Estos parámetros, a su vez, dependen de otros factores como la temperatura, el componente escogido, el envejecimiento, etc.

Dado que si se cumple Aβ >> 1 la ganancia del amplificador dependerá en gran medida de la red de realimentación β y en menor medida de los dispositivos utilizados. La realimentación mejora en este sentido la sensibilidad de la ganancia del amplificador frente a todos estos factores.

La realimentación negativa mejora la sensibilidad de la ganancia en un factor 1 + Aβ- Cuanto mayor sea este factor, peor será la sensibilidad del amplificador.

Impedancias terminales.
Para un amplificador realimentado se puede demostrar que la impedancia de entrada (zinetapa) aumenta si se utilizan configuraciones serie - serie y serie - paralelo, y dismunuye si se utilizan configuraciones paralelo - paralelo y paralelo - serie.

Mientras tanto la impedancia de salida (zout) aumenta para las configuraciones de serie - serie y paralelo - serie y disminuye para configuraciones serie - paralelo y paralelo - paralelo.

Como puedes ver existen muchas posibilidades a la hora de modificar las impedancias de los terminales en un amplificador como por ejemplo, si quisieramos que la salida tuviese una impedancia baja para acoplarse a un altavoz de baja impedancia.

Respuesta en frecuencia.
La realimentación también modifica la respuesta en frecuencia del amplificador. El amplificador a partir de ciertas frecuencias superiores a la de corte empieza a saturar en un factor 1 + Aβ. Como la realimentación reinyecta parte de la señal a la entrada, se está disminuyendo la frecuencia de corte en un factor de (1/1 + Aβ)

Como la frecuencia de corte superior es mucho mayor que la frecuencia de corte superior, en un amplificador de audio habitual, el ancho de banda, aumenta aproximadamente en un factor de 1 +Aβ y mantiene constante el producto de ganancia por ancho de banda.

Aumento del ancho de banda con la realimentación

Ruido.
La realimentación negativa también mejora el ruido interno producido por el amplificador y lo disminuye en un factor 1 + Aβ.

Ventajas de la realimentación positiva.
En los amplificadores se utiliza la amplificación para aumentar la ganancia de salida en una etapa según la fórmula:

1 + Aβ < 1

La ganancia del amplificador quedaría en módulo:

ganancia en realimentación positiva

Si se utiliza realimentación positiva para aumentar la ganancia de una determinada etapa, deberá de existir un lazo exterior de realimentación negativa que contrarreste que la ganancia positiva no sature el amplificador y que el mismo no empiece a oscilar.

Inconvenientes de la realimentación.

No todo es bonito en la realimentación. Existen una serie de riesgos que hay que tener en cuenta:

Disminución de la ganancia.
Es obvio que la la realimentación negativa produce una disminución de la ganancia del amplificador no solo en la etapa, sino en el conjunto del amplificador. Si la realimentación es negativa, la ganancia del conjunto disminuye:

1 + Aβ > 1

Entonces, nos queda que:

disminución de la ganancia por realimentación negativa

A pesar de este incoveniente, la realimentación negativa se utiliza en la mayoría de los amplificadores por su grandes beneficios.

Estabilidad.
El mayor de los problemas y más grave inconveniente de la realimentación (tanto positiva como negativa), es que su estabilidad debido a las diferentes frecuencias con las que trabaja.

Si a cierta frecuencia el amplificador realimentado cumpliera que:

Aβ = -1

Es decir que:

|Aβ| = 1
®Aβ = 180º

Esto haría que la ganancia fuera infinita a dicha frecuencia. El resultado del amplificador sería que seguramente empezaría a oscilar. La situación no tiene porqué darse en todos los amplificadores con realimentación, pero es un factor a tener en cuenta sobre todo si no disponemos de control de tonos para ciertas frecuencias.