Los circuitos amplificadores de varias etapas son circuitos amplificadores que conectan las salidas de un amplificador a la entrada de otro amplificador, con la consecuente suma de ganancias de ambas etapas amplificadoras.
Pero suele ocurrir que cuando se acoplan varias etapas amplificadoras en serie, la señal a la salida de la última etapa, suele ser demasiado grande y se produce una distorsión de la señal de entrada a la salida precisamente por la falta de linealidad de los componentes del amplificador.
Para solucionar esto, se introduce el concepto de realimentación del amplificador, en el cual parte de la señal de salida se inyecta a la entrada del amplificador, consiguiendo dos acciones principales:
● Si la señal realimentada está en fase con la señal de entrada, se conseguirá una realimentación positiva.
● Si la señal realimentada está en oposición con la señal de entrada, se conseguirá una atenuación.
En esta clase vamos a centrarnos en el siguiente circuito que, como puedes ver tiene una malla de realimentación con potenciómetro regulador.
Realimentación.
La realimentación es uno de los aspectos más importantes a la hora de diseñar un buen amplificador. Existirá una realimentación e un circuito cuando intencionadamente o no, se introduzca parte de la señal de salida a la entrada del amplificador.
Vamos a ver el siguiente diagrama de bloques:
Como puedes ver, la señal de entrada al amplificador Xe, llega al disyuntor donde se mezcla la señal realimentada Xr que llega del realimentador β. A la salida del amplificador, la señal Xs es la consecuencia del batido de las señales de entrada y realimentación.
Siguiendo este mismo bloque amplificador:
● En un amplificador sin realimentar, su ganancia es:
● La red de realimentación (β), es la red a través de la cual parte de la señal de salida se realimenta a la entrada. Suele ser una red pasiva, aunque algunas veces puede ser reactiva. La ganancia viene definida por:
● Comparador. Es el camino mediante el cual la señal realimentada se inyecta a la entrada del amplificador.
La ganancia total de un amplificador realimentado viene dada por la expresión siguiente:
A = Xs ÷ (Xe - Xr) = Xs ÷ (Xe - βXs)
Y como Xs es igual a Xe - A β Xs
Podemos decir que:
A Xe = Xs (1 + Aβ)
De lo cual deducimos que:
Esta última expresión es la ganancia total del amplificador con realimentación. El denominador (1 + Aβ) recibe el nombre de diferencia de retorno; mientras que la expresión Aβ recibe el nombre de ganancia de lazo.
Es muy común expresar la cantidad de realimentación introducida en el amplificador en decibelios, por lo que podemos sustituir la expresión anterior como:
Tipos de realimentación.
Si la porción de señal de salida que se introduce a la entrada a través de la red de realimentación se suma a la propia de la entrada, reforzará la propia señal y será realimentación positiva. En caso contrario será realimentación negativa.
El hecho de que la realimentación sea positiva o negativa depende de las funciones de transferencia ganancia (A) y β. En cualquier caso la realimentación será:
● POSITIVA si |1 + Aβ| < 1, con lo que aumentará la ganancia del amplificador.
● NEGATIVA si |1 + Aβ| > 1, con lo que disminuirá la ganancia del amplificador.
● Si |1 + Aβ| = 0, entonces Aβ = -1 y Ar = ∞. Esta situación es la peor en un amplificador, porque el amplificador empezaría a oscilar.
Hacer que un amplificador realimente positiva o negativamente dependerá de los calculos que requiera el técnico. A veces será necesario que la ganancia de tensión sea mayor a la salida y se calculará la red de realimentación para que sea positiva. Pero en la mayoría de los casos, será negativa.
Configuraciones posibles.
Existen 4 formas posibles de conectar una red de realimentación a un amplificador. Veremos la configuración del diagrama en bloques y su equivalente en emisor común.
Estas configuraciones son las siguientes:
Realimentación tensión-tensión o serie-paralelo.En la figura siguiente se ve el tipo de configuración en donde la tensión de salida Vs se realimenta a través de la red β también en forma de tensión (Vr) a la entrada del amplificador A.
El circuito más común de esta configuración es utilizar una resistencia de realimentación entre la salida de la segunda etapa y la primera etapa que se acople directamente a la resistencia de emisor sin desacoplar de la primera etapa.
Realimentación tensión-corriente o serie-serie.Es este caso la corriente de salida se realimenta a través de la red β en forma de tensión Vr a la entradad del amplificador A.
Como ejemplo de este tipo de configuración puedes obtener el modelo de un amplificador en emisor común con resistencia de emisor sin desacoplar.
Realimentación corriente - tensión o paralelo paralelo.El siguiente modelo, la tensión de salida Vs, se realimenta a través de la red β en forma de corriente ir a la entrada del amplificador A.
Realimentación corriente - corriente o paralelo serie.La última configuración, la corriente de salida is se realimenta a través de la red β en forma de corriente ir a la entrada del amplificador A.
Este modelo tiene su equivalente en circuito cuando se conecta el emisor de la segunda etapa a la entrada de la primera etapa.
Realimentación negativa.
El uso de técnicas de realimentación negativa en amplificadores proporciona una serie de ventajas que hace que sean utilizadas en la mayoría de los diseños. A continuación paso a indicar las principales ventajas.
Mejora de la distorsión.Ya hemos indicado anteriormente que la ganancia de un amplificador depende de los elementos no lineales que lo componen, por lo que la transferencia de señal entre entrada y salida no es lineal. Esto se traduce en una distorsión que se va a amplificar con la señal.
Al introducir una red de realimentación pasiva, ésta se compone de elementos lineales. Y como los elementos lineales son más lineales que los elementos activos, podemos obtener funciones de transferencia casi lineales.
Supón que:
Aβ >> 1
Entonces la ganancia se puede aproximar así:
Ar = A ÷ (1 + Aβ) = 1 ÷ β
Mejora de la sensibilidad de la ganancia.La ganancia de un amplificador depende de los parámetros de los dispositivos activos que lo configuran. Estos parámetros, a su vez, dependen de la temperatura, el componente escogido, el uso, etc., etc.
Si se cumple la expresión Aβ >> 1, la ganancia de realimentación depende en gran medida de los dispositivos activos utilizados, la realimentación mejora en este sentido la sensibilidad de la ganancia del amplificador frente a todos los factores.
Se cree que la ganancia mejora la sensibilidad de la ganancia en un factor de diferencia de retorno (1 + Aβ) cuanto mayor sea la diferencia de retorno, mayor será la insensibilidad del amplificador.
Impedancias.Para un amplificador realimentado se puede demostrar que la impedancia de entrada aumenta si se utiliza una configuración serie-serie y serie-paralelo.
También que la impedancia de entrada disminuye si se utiliza una configuración paralelo-paralelo y paralelo-serie.
La impedancia de salida aumenta con las configuraciones serie-serie y paralelo-serie.
Y disminuye con las configuraciones serie-paralelo y paralelo-paralelo.
En los amplificadores de audio interesa que la impedancia de salida sea muy baja con el fin de amortiguar los cambios en la impedancia de carga de los altavoces.
Respuesta en frecuencia.También modifica la respuesta en frecuencia de los amplificadores. Para altas frecuencias el ancho de banda de un amplificador aumenta en proporción de la diferencia de retorno (1 + Aβ). Para bajas frecuencias, la frecuencia de corte inferior disminuye en un factor 1 ÷ 1+Aβ.
En amplificadores de audio, la frecuencia de corte inferior suele ser mucho menor que la frecuencia de corte superior lo que aumenta el ancho de banda en el factor de la diferencia de retorno mientras que se mantiene constante la ganancia por el ancho de banda.
Fijate que en la siguiente figura, el ancho de banda realimentada (f2r - f1r), es mayor que el ancho de banda de la salida sin realimentar.
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También existe una última ventaja como es la reducción de ruido ya que el ruido disminuye en un factor de 1+ Aβ.
Realimentación positiva.
En amplificación, la realimentación positiva se usa exclusivamente para aumentar la ganancia entre etapas amplificadoras. Esto se conseguía siempre que la diferencia de retorno sea menor de 1:
1 + Aβ < 1
La ganancia del amplificador realimentado queda entonces como ves en la siguiente fórmula:
En este caso la ganancia realimentada queda como:
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