El análisis de un amplificador no es tarea sencilla ya que ambas fuentes de alterna y continua están presentes en el mismo circuito. En el análisis de amplificadores se suelen comprobar el efecto de las tensiones y corrientes de polarización (es decir continuas) y después del efecto de las alternas.
Circuito equivalente de señal.En el anterior capítulo, en la última parte estudiamos por encima 2 modelos del transistor en señal para así reducir los cálculos efectuados en el circuito en presencia de señal. Pues bien, si lo que queremos es dividir el efecto de la polarización, podemos utilizar un circuito básico de amplificador en el cual abrimos todos los condensadores para así hacer que la corriente continua circule por el sistema.
La corriente más importante en el análisis de continua es la corriente continua de emisor, ya que se necesita para calcular la re de la señal.
Claro que antes de continuar queda aclarar un concepto que tal vez no haya quedado demasiado claro. En los amplificadores la señal se saca a través de los condensadores de acoplo, pero también llega a la fuente de alimentación continua. ¿Qué efecto produce la fuente alterna sobre ésta? El siguiente circuito nos ayudará a entender esto.
Observa que la fuente de alimentación alterna y la fuente de alimentación continua están unidas mediante una resistencia. En estas condiciones, la fuente de tensión continua actúa como un cortocircuito para la fuente alterna.
Este fenómeno se explica ya que la fuente de continua tiene una tensión constante en todo momento. Cualquier corriente alterna que fluya por su interior no puede producir tensión alterna en los bornes de la tensión continua. Por lo tanto si no puede producir tensión alterna en sus bornes, la fuente de continua se comporta como un cortocircuito para la señal.
Circuito equivalente para señal.Después de analizar el circuito en continua, nos queda realizar el análisis del circuito de alterna (o para señal). En este circuito equivalente se supone las fuentes de continua y los condensadores cortocircuitados para la señal. Podemos describir éste circuito equivalente como el modelo en π o en T, visto anteriormente.
En el resto del capítulo me centraré en modelizar el amplificador por divisor de tensión y polarización de emisor. Todos los circuitos que hemos visto hasta ahora tienen su circuito equivalente de señal.
Así por ejemplo el circuito amplificador por divisor de tensión y polarizado por emisor tiene esta forma:
Cada configuración (emisor común, base común o colector común), también tendrán su propia configuración. Pero como ya he dicho, en este curso veremos básicamente el anterior circuito y su equivalente para señal.
Por lo tanto para el análisis de todos los amplificadores, para modelos normalizados es que:
● Primero se calculan polarizaciones continuas
● Segundo se analiza el circuito equivalente de señal.
Ganancia.
El amplificador sea cual sea su constitución, es un dispositivo que dispone de dos terminales de entrada a los que se aplica una señal de pequeña amplitud, y dos terminales de salida por la que se saca la señal amplificada en amplitud. Simbólicamente se puede representar a un amplificador de la forma siguiente:
Amplificar consiste en multiplicar la señal de entrada un número de veces mayor que la unidad.
Además de amplificar la señal de entrada, el amplificador tiene otro objetivo y es que NO debe de introducir distorsión en la señal o deformarla. Cuando la ganancia que se obtiene es menor que la de entrada estamos hablando de un atenuador de señal.
En los amplificadores, la ganancia de tensión y corriente se suelen dar a la vez (potencia), aunque a veces solo se desea amplificar la corriente y otras la tensión de la señal (dependiendo de la etapa o carga a excitar).
El concepto de ganancia es la relación entre el valor de la magnitud obtenida en la salida y el de la entrada. Y volviendo a la amplificación de potencia, podemos establecer el siguiente concepto.
Ganancia de tensión.Establecida por la tensión alterna de salida dividida por la alterna de entrada según la formula siguiente:
Av = vout ÷ vin
Ten en cuenta que la ganancia de tensión no la da la ganancia de corriente β, sino que es un factor designado por el factor de amplificación y las impedancias de entrada y salida del mismo. La ganancia de tensión se representa con la letra A. Partiendo del anterior:
Podemos crear su circuito equivalente al modelo π:
La corriente de base ib circula a través de la impedancia de entrada β x re.
Podemos establecer entonces que:
Vin = ib x (β x re)
En el circuito colector, la fuente de corriente bombea una corriente alterna ic a través de la conexión paralela Rc || RL, por lo que la tensión alterna de salida:
Vout =ic x (RC || RL)
Y como para señal ic = ib x β, podemos deducir que la ganancia de tensión alterna viene definida por:
Con lo que amplificando términos nos queda que:
A = (RC || RL) ÷ re
Por lo que ahora podemos establecer un nuevo factor.
Resistencia para señal del colector.
Como se observa en el modelo equivalente para señal π anterior, la resistencia total en carga para alterna vista desde el colector es el paralelo Rc y RL.Este paralelo se llama resistencia de colector para corriente alterna (rc) y se designa de la siguiente manera:
rc = RC || RL
Por lo que podemos establecer la ganancia de tensión como la resistencia de colector para corriente alterna dividida entre la resistencia de emisor para corriente alterna.
Observa que esta fórmula está expresada en relación a las resistencias de entrada y salida del amplificador, por lo tanto para comprobar su origen debemos de ir al circuito equivalente del amplificador para señal. En este caso, en vez de utilizar el modelo en π, utilizaremos el modelo en T:
Aunque cualquier modelo da el mismo resultado, el anterior circuito equivalente te muestra que la tensión de entrada vin aparece cruzando la impedancia de entrada de forma que se puede decir que:
Vin = ie x re
En el circuito de colector la corriente bombea una corriente alterna ic a través de la resistencia de colector alterna.
Vout = ic x rc
A = vin ÷ vout = (ic x rc) ÷ (ie x re)
Como sabemos que ic es igual prácticamente a ie, sustituyendo de la anterior formula nos queda la fórmula de la ganancia de tensión actual.
Ganancia en potencia.
El anterior punto vimos que la ganancia de tensión viene definida por los valores de tensión de las señales alternas.
La ganancia de corriente ofrece el mismo resultado pero para los valores de las corrientes alternas, por lo que podemos establecer a la ganancia de intensidad (que no es lo mismo que ganancia de corriente hFe), de la siguiente manera:
Ai = iout ÷ ientrada
Por lo que si ahora juntamos ambas ganancias obtendremos la ganancia de potencia que se designa por el producto aritmético de ambos valores:
Apotencia = Av x Ai
Pero claro, como la ganancia de potencia designa las potencias de salida y la de entrada se puede asignar la formula anterior a la siguiente:
Apotencia = psalida ÷ pentrada
Ganancia en decibelios.El decibelio (diez veces menor que el belio), es una unidad utilizada para medir el nivel sonoro producido por un amplificador. Existe una fórmula que sirve para calcular la ganancia de potencia expresada en decibelios (dB):
También se pueden obtener en decibelios las ganancias de tensión e intensidad de acuerdo a las formulas siguientes:
Distorsión.
Cuando la señal de salida de un amplificador no es fiel reflejo de la de entrada, se dice que el amplificador ofrece una distorsión.
El objetivo principal a la hora de diseñar un amplificador es reducir al mínimo la distorsión. La distorsión es producida por la falta de linealidad de los elementos constructivos.
Recuerda del anterior tema que decíamos que si la tensión alterna era grande, ofrecería distorsión en la polarización del emisor al no desplazarse linealmente la señal equitativamente. Pues bien, la distorsión se puede dar por:
Distorsión alineal.Es la representada en la gráfica de arriba. Cuando una señal de entrada es grande relativamente a la polarización VBE, esa señal se deformará a la salida porque el transistor no puede representar toda la señal y producirá una distorsión por recorte de la misma.
Recuerda que para evitar este tipo de distorsión se hacía que la corriente alterna de entrada fuese 10 veces más pequeña que la corriente de polarización de emisor.
Distosión por frecuencia y fase.La señal de entrada a un amplificador generada por un transductor o un generador, estará formado por varias formas de ondas con armónicos y diferentes frecuencias.
Un circuito amplificador debe de producir la misma salida en la frecuencia de la señal sin introducir o recortar armónicos de la misma.
La ganancia de un amplificador es la misma para un rango de frecuencias llamadas frecuencias de corte.
Esas frecuencias de corte designan lo conocido como un ancho de banda. Por lo tanto para las frecuencias establecidas por debajo o por encima del ancho de banda, la ganancia del amplificador disminuye.
Así pues un amplificador designado para trabajar con frecuencias comprendidas entre los 20Hz y los 20KHz que trabajen con frecuencias superiores a los 22KHz, ofrecerán una distorsión de frecuencia a la salida del amplificador ya que no está diseñado para trabajar con frecuencias de 22KHz por lo que recortará la señal para esos armónicos de frecuencia.
También debe de ser capaz evitar la sobre modulación de la señal adelantando o retrasando respecto a la frecuencia patrón (desfase). De acuerdo a las capacidades parásitas que presentan los circuitos de entrada y salida de los amplificadores (y que puedes ver en los valores de las hojas de características de cada transistor), y a las propias de los conductores, las altas frecuencias producirán un desfase de la señal respecto a la entrada en su salida.
Para las bajas frecuencias esta distorsión es más fácil de controlar ya que con aumentar el valor de los condensadores de acoplamiento se soluciona.
La anterior gráfica muestra la ganancia de tensión y su valor en decibelios en función de la frecuencia y del ancho de banda.
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