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8/18/2019 Tema 01A Amplificadores
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Tema 1A Amplificadores
Prof. A. Roldán Aranda
1º Ing. Informática
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§ Introducción
§Equivalente de Thevenin de un amplificador
Ø Definición de impedancia de entrada y salida
§Respuesta en frecuencia de un amplificador §Amplificadores realimentados
Ø Realimentación positiva y negativa
Ø El amplificador diferencial ideal realimentado
Conceptos generales de amplificación
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Elect rón ica de
comun icac iones
Tipos de electrónica - I
ElectrónicaAnalógica
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Tipos de electrónica - II
ElectrónicaD ig i ta l
InstrumentaciónElectrónica,
Bioelectrónica...
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Tipos de electrónica - III
Elect rónica deDisposi t iv os y
Microe lect rón ica
A
B
Elect r ón ica dePotenc ia
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Objetivo: Manejar y extraer in formación presente en una magnitud eléctrica
Señal con informaciónSensor, Antena,etc.
CircuitoAnalógico
ü Amplificar ü Filtrar ü Aislar ü Normalizar ü Conversiones (v/v, V/i, i/v, v/f, f/v,....)ü Captura de pico
ü .....
V
tEJEMPLO:
Tratamiento Analógico
Señal AM(Débil, antena)
VSVE
Altavoz(Señal Fuerte)
ELEMENTO CLAVEEN ELECTRÓNICA
ANALÓGICA:
AMPLIFICADORELECTRÓNICO
Introducción
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Objetivo: Manejar y extraer in formación presente en una magnitud eléctrica
vol
Power
Amp
ker out in microphone amplifier loudspeaSound Sound Response Gain Response=
ker microphone amplifier loudspeaTransferFunction Response Gain Response=
Introducción: Ejemplo Sonido
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Tecnología: es el conjunto de habilidades que permiten construir objetos y
máquinas para adaptar el medio y satisfacer nuestras necesidades.
Etimología:Es una palabra de origen griego, !"#%'%(%), formada por tekne (!"#*,"arte, técnica u oficio") y logos ('%(%), "conjunto de saberes").
Aunque hay muchas tecnologías muy diferentes entre sí, es frecuente usar el
término en singular para referirse a una cualquiera de ellas o al conjunto de todas.
Cuando se lo escribe con mayúscula, TECNOLOGÍA puede referirse:
•Disciplina teórica que estudia los saberes comunes a todas lastecnologías
•Educación tecnológica, la disciplina abocada a la familiarización con lastecnologías más importantes.
DEFINICIÓN: Tecnología
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La actividad tecnológica influye en el progreso social y económico, pero también haproducido el deterioro de nuestro entorno (biosfera).
Las tecnologías pueden ser usadas para proteger el medio ambiente y para evitarque las crecientes necesidades provoquen un agotamiento o degradación de losrecursos materiales y energéticos de nuestro planeta.
Evitar estos males es tarea no sólo de los gobiernos, sino de todos.
Se requiere para ello una buena enseñanza-aprendizaje de la tecnología en losestudios de enseñanza media o secundaria y más aun en la UNIVERSIDAD y buenadifusión de:
• La historia.
• Los problemas.• Diagnósticos.• Propuestas de solución en cada momento de la evolución.
Implicaciones de la Tecnología
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V
tContinua
V
t
Senoidal
V
tArbitraria
La tensión (VE) o la corriente (IE) de entrada a un amplificador puede tener una
forma cualquiera.
REPRESENTACIÓNEN EL TIEMPO
El teorema de Fourier indica:"Cualquier señal eléctrica podemos descomponerla en nivel de continua
más una suma de señales senoidales”
Si podemos determinar como se comporta un amplificador ante continua ysenoidales de cualquier frecuencia, podemos determinar como se comporta ante
cualquier señal.
Formas de Onda
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Modelo Ideal
Ø Un amplificador se modela por ganancia G en:
ü Tensión: vo=Gv vi
ü Corriente: io=Gi ii
ü Potencia: Po=GP Pi
vi vo=Gvv i
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V
tContinua
V
t
Senoidal
V
tArbitraria
REPRESENTACIÓNEN EL TIEMPO
REPRESENTACIÓNEN FRECUENCIA
(ESPECTRO)
V
f
ContinuaDC
V
f
Senoidalf1
V
f
Arbitraria
f1 f2DC
En el mundo de la Electrónica Analógica, las representaciones en frecuencia son
mucho más cómodas (p.e. Música, comunicaciones, etc.).
En una primera aproximación supondremos que la entrada al amplificador essenoidal de una frecuencia genérica.
Formas de Onda en t vs. f
FOURIER
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IDEAS BÁSICAS DE AMPLIFICACIÓN
AMPLIFICADOR
+
-US
+
-UE
¿Que es un amplificador?
Dispositivo capaz de elevar el nivel de potencia de una señal.(En nuestro caso eléctrica: V o I)
Fuente de señal(Información)
Carga
RL
Objetivo ideal
PE = 0 y PS = +
La información en la fuente de señal puede estar presente en forma de:
• Tensión (VE)
• Corriente (IE)
A la salida (en la carga), la información se puede entregar (con mayor potenciacon mayor potencia) pero
en forma de:Ø Tensión (VS)
Ø Corriente (IS)
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Corriente (IS) Amplificador de Corriente (I/I)Corriente (IE)
Tensión (US) Amplificador de Trans-resistencia (V/I)Corriente (IE)
Corriente (IS) Amplificador de Trans-conductancia (I/V)Tensión (UE)
Tensión (US) Amplificador de tensión (V/V)Tensión (UE)
Información de SalidaTipo de AmplificadorInformación de Entrada
TIPOS DE AMPLIFICADORES
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TIPOS DE AMPLIFICADORES
UE+
-
US
+
-
+
A UE
RL
Carga
RE = RS = 0
A = ganancia de tensión
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
UE
+
-
+
G UE
RL
Carga
RE = RS = G = ganancia de transconductancia
AMPLIFICADOR IDEAL DETRANSCONDUCTANCIA
IS
IEAI IE
RL
Carga
RE = 0 RS =
AI = ganancia de corriente
AMPLIFICADOR IDEAL DE CORRIENTE
IS
IE
RE = 0 RS = 0R = ganancia de transresistencia
AMPLIFICADOR IDEALDE TRANSRESISTENCIA
US
+
-
+
R IE
RL
Carga
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Amplificador ideal de tensión
UE
+
-
US
+
-
+
A UE
RL
Carga
A = ganancia de tensión
Características del amplificador ideal de tensión:
• No consume corriente en la entrada
• La tensión de salida no depende de la carga
• La ganancia de tensión A es constante e independiente de la frecuencia
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Calcula la ganancia de TENSIÓN, CORRIENTE y POTENCIA ?
Ejemplo de Amplificador - I
CD vol
Ø Un amplificador HI-FI amplifica un tono sinusoidal de amplitud 1V sobre 600Ω a 100Wsobre un altavoz de 8Ω de impedancia (que podemos asumir como resistiva pura).
±1 V pico
100 W Power Amp
8Ω
CD600R
600R 8R
Power Amp
CD player
600 Ω
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ü Ganancia en Tensión:
40
40100.8.222
,
,
,
2
,
==
===⇒=
peak i
peak o
v
oo peak o
o
peak oo
v
vG
P Rv R
v P
3000600.5
6001 8
100.2
,
2
,
, =====
i
peak i
o
o
peak i
peak oi
R
v
R P
i
iG
000,120
600.21
100
2
2
,
====
i
peak i
o
i
o P
R
V
P
P
P G
En dB:dB
P
P G
i
o P 8.50log10 10 =
=
iv P GGG = NB:
ü Ganancia en Corriente y Potencia:2
2
I R P =
Ejemplo de Amplificador - II
¿De dóndesale el 2 ?
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Equivalente de Thevenin de un amplificador real
Admitiendo excitación senoidal y aunque el amplificador es un circuito complejo
(transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc) podemos caracterizarel amplificador con ayuda de tres elementos:
• Dos imp edancias ( Imp edancia de entrada R E ó R IN y de salida R S ó R OUT )
• Una ganancia (de tens ión en vació o de corr iente en cor toc ircui to)
El conjunto de estos parámetros permite obtener un equ iv alen te eléct ri cosenci l lo del amplificador (EQUIVALENTE THEVENIN).
UE
+
-
US
+
-
+
A VERE
RS
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Arquitectura Interior de un amplificador real
El amplificador es un circuito complejo (transistores, diodos, resistencias,condensadores, etc) pero podemos caracterizarlo con ayuda de tres elementos:
• R IN• R OUT • AV
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Equivalente de Thevenin de un amplificador real -I
IMPEDANCIA DE ENTRADAIMPEDANCIA DE ENTRADA (RE)
UE
+
-
RE
IE
E
E E IN
I
U R R ==
Si la entrada es en tensión, nos interesa:
RE = + (La mas grande posible)
Si la entrada es corriente, nos interesa:
IE = 0 (Lo mas pequeña posible)
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(VS)O.C
+
-
+
A · UE
Tensión de vacío proporcional a la entrada
A = Ganancia de tensión en vacío
Equivalente de Thevenin de un amplificador real -II
Ganancia de TensiGanancia de Tensióón enn enCircuito Abierto (Circuito Abierto (O.CO.C.).)
UE
+
-
RE
IE
SALIDAENTRADA
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(US)O.C.
+
-
(IS)S.C
..
.
)()(
C S S
C OS S
I U R =
Mide la capacidad de entregar potencia del amplificador .
Si la salida es en tensión, nos interesará RS = 0 (pequeña)
VS
+
-
+
A UE
ZS Representación para unequivalente de salida entensión
Equivalente de Thevenin del amplificador real -III
IMPEDANCIA DE SALIDAIMPEDANCIA DE SALIDA
Qué nos interesará Si la salida es en CORRIENTE
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Respuesta en frecuencia de un amplificador - I
En todo amplificador aparecen elementos reactivos (condensadores, inductancias,
etc). Unos introducidos por nosotros para realizar una cierta función (p.e. eliminarcontinua, filtrar, etc) y otros muchos parásitos (inductancia de cables, capacidadesparásitas de uniones PN, etc)
DIAGRAMA DE BODE: la representación de la variación de ganancia de unamplificador con la frecuencia (módulo y argumento)
|A| = MÓDULO = Relación de amplitudes
= ARGUMENTO = Desfase VE
VS
Relación de amplitudes(MÓDULO)
θ
Desfase(ARGUMENTO)
A
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10
1
Ganancia
f
90º
0º
Desfase
f
-90º
Normalmente la escala de frecuencias es logarítmica
-2 -1 0 1 2 3 4 [log f]
[f]0.01 0.1 1 10 100 1K 10K
Notar que la frecuencia 0 (DC-continua) en una escala
logarítmica está en -+
DÉCADA
La Ganancia se representa también habitualmente en unaescala logarítmica especial (dB = Decibelios)
[ ][ ][ ]ω j A Abs AU U dB
E
S log20log20log20 =⋅=⋅=
Respuesta en frecuencia de un amplificador - II
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
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Ingeniero Americano:• (24 December 1905 – 21 June 1982)• Madison, Wisconsin.
• Trabajó en los Bell Labs de New York City• He began his career as designer of electronic filters andequalizers.
• In 1929, he was assigned to the Mathematical Research Group.• Sponsored by Bell Laboratories he reentered graduate school, this time at
Columbia University, and he successfully completed his Ph.D. in physics in 1935.• In 1938 he developed his asymptotic phase and magnitude plots
• Bode Plots enabled engineers to investigate time domain stability using thefrequency domain concepts of gain and phase margin, the study of which wasaided by his now famous plots.
Hendrik Wade Bode
Padre de BODEPadre de BODE PlotsPlots
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Hendrik Wade Bode
Lista de PATENTESLista de PATENTES
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LogLinearPlot20 Log10, Abs1!"1 1!"I !##$$, %!, 0.01, 100&$
0.1 1 10 100
30
20
10
0
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
In[12]:= LogLinearPlot Arg1 !"1 1 !"I !##$! ", %!, 0.01, 100&$
Out[12]=
0.1 1 10 100
20
40
60
80
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In[10]:= hfuncs $ :# 1 !"1 1 !"I !##;
LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI !$$$, %!, 0.01, 100&, PlotLabel $ SequenceForm "Bode Plot for ", hfuncs$$$
Out[11]=
0.1 1 10 100
30
20
10
0
Bode Plot for 1
1 !
"
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
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In[14]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI !$$$, %!, 0.01, 100&,
PlotRange $ %&40, 40&,
Axes $ False,Frame $ True,
FrameLabel $ %"!!RC", "dB"&,
RotateLabel $ False,
GridLines $ Automatic,
PlotStyle $ AbsoluteThickness3$,
AspectRatio $ 0.3,
ImageSize $ 800$
Out[14]=
0.01 0.1 1 10 10040
20
0
20
40
"RC
dB
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
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In[17]:= LogLinearPlot% Arg1!"1 1 !"I !##$! "&, %!, 0.01, 100&,
PlotRange $ %90, 0&,
Axes $ False,
Frame $ True,
FrameLabel$ %"!!RC", "dB"&,
RotateLabel$ False,
GridLines $ Automatic,
PlotStyle $ AbsoluteThickness3$,
AspectRatio $ 0.3,
ImageSize $ 800$
Out[17]=
0.01 0.1 1 10 1000
20
40
60
80
"RC
dB
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
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In[24]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI !$$$, %!, 0.01, 100&,
PlotRange$ %&40, 40&,
Axes $ False,
Frame $ True,
FrameLabel$ %"!!RC", "dB"&,
RotateLabel$ False,
GridLines$ Automatic,
PlotStyle$ % AbsoluteThickness3$, RGBColor1, 0, 0$&,
AspectRatio$ 0.3,
ImageSize$ 800$
Out[24]=
0.01 0.1 1 10 10040
20
0
20
40
"RC
dB
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
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In[28]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI !$$$, %!, 0.01, 100&,
PlotRange$ %&40, 40&,
Axes $ False,
Frame $ True,FrameLabel $ %%"dB", Amplitud &, %"!!RC", Frecuencia&&,
RotateLabel$ True,
GridLines$ Automatic,
PlotStyle$ % AbsoluteThickness3$, RGBColor1, 0, 0$&,
AspectRatio$ 0.3,
ImageSize$ 800$
Out[28]=
0.01 0.1 1 10 10040
20
0
20
40
"RC
d B
Frecuencia
A m p l i t u d
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
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Respuesta en frecuencia de un amplificador
Si la potencia se entrega sobre cargas iguales:
A = Punto donde se mide la ganancia respecto de B
B = Punto referencia del circuito
Definición de ganancia de potencia en decibelios (dB) :
( )B
A10P P
Plog10dB A ⋅=
⋅=
B
A10 V
Vlog20
2
B
A10 V
Vlog10
⋅=
LOAD
2B
LOAD
2 A
10
RV
RV
log10 ⋅=( )B
A10P P
Plog10dB A ⋅=
Definición de ganancia de tensión en dB:
( )
⋅=B
A10u V
Vlog20dB A
COMENTARIOSCOMENTARIOS dBdB
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Se cumplen las siguientes relaciones:
Amplificadores realimentados - I
AVE VS
βVR
-
VC=VE -VR
VR = VS · β
VS = VC · AV = ( VE- VR ) · AV
VS = ( VE - VS · β ) · AV è VS = VE ·AV
1 + AV · β
Ganancia del amplificador realimentado
S A
L I DA
E N T R A
D A
RE-ALIMENTACIÓN
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Tipos de realimentación:
VS = VE ·
A
1 + A · β
Ganancia de lazo
• Realimentación negativa : A ·β > 0
• Realimen tación posit iva: A ·β < 0
Caso particular: A · β = -1 ( ¡ realimentación crítica !)
Ganancia del sistema realimentado infinita:
à Aunque se tenga VE = 0, puede haber señal de salida
Amplificadores realimentados - II
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AVE VS
βVR
-
VE -VR
Por ejemplo:A > 0 y β > 0
Si por cualquier perturbación la salida se incrementa:
VS , è VR , è VE -VR - è VS -
La realimentación tiende a compensar las perturbaciones de la salida
Amplificadores realimentados - III
Realimentación negativa: A · β > 0
8/18/2019 Tema 01A Amplificadores
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AVE VS
βVR
-
VE -VR
Por ejemplo:A > 0 y β < 0
Si por cualquier perturbación la salida se incrementa:
VS , è VR - è VE -VR , è VS ,
La realimentación tiende a ampl i f icar las perturbaciones de la salida.
Amplificadores realimentados - IV
Realimentación Positiva: A · β < 0
8/18/2019 Tema 01A Amplificadores
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Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
VE
Motor DC
Tacómetro
Amplificadores realimentados - V
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Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
VE
Motor DC
Tacómetro
F r e n
o
-
Referencia
Error
Amplificadores realimentados - VI
8/18/2019 Tema 01A Amplificadores
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Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
Motor DC
Tacómetro
F r e n
o
-
Referencia
VE
Error
La realimentación negativa tiende a compensarlas variaciones de la salida.
Amplificadores realimentados - VII
8/18/2019 Tema 01A Amplificadores
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Motor+
cargareferencia Velocidadde giro
Tacómetro+ circuitería
-
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
Este sistema equivale a:
Amplificadores realimentados - VIII
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Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0
Motor DC
Tacómetro
F r e n o
-
Referencia
-1
Amplificadores realimentados - IX
8/18/2019 Tema 01A Amplificadores
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Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0
Motor DC
Tacómetro
F r e n o
-
Referencia
-1
error -
La realimentación positiva tiende a aumentarlas variaciones de la salida (se para o se acelera).
Amplificadores realimentados - X
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Referencias Utilizadas
Material de ELECTRÓNICA Y AUTOMATISMOS de 2º Curso deInstalaciones Electromecánicas Mineras del Profesor: Javier Ribas Bueno
Material de Signals and Systems del Professor Dr. Andy Harvey de laHeriot Watt University de
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