Amplificacion Amplif de Sec3b1al Pequec3b1a

En los amplificadores, gracias a los transistores, se consigueelevar la intensidad de los sonidos y de las seales en general. Elamplificador posee una entrada por donde se introduce la sealdbil, y otra por donde se alimenta con C.C. La seal de salidase ve aumentada gracias a la aportacin de esta alimentacin,siguiendo las mismas variaciones que la de entrada (Figura 13.1).

Amplificador.

Seal de entrada Seal de salida

Fuente dealimentacin

Figura 13.1. El amplificador eleva el nivel de la seal aplicada a su entrada.

En la Figura 13.2 se muestra la disposicin bsica de unamplificador de sonido. L,I seal de entrada, de bajo nivel (delorden de unos pocos 'milivoltios), Ya aportan dispositivoscorno: el micrfono (transforma las ondas sonoras en sealeselctricas que siguen las mismas variaciones que las prime-.ras), el reproductor de discos (transforma la seales grabadasen los surcos del disco en seales elctricas), el magnetfono(transforma las seales grabadas magnticamente en una cintaen seales elctricas), ete. El amplificador de audio toma estas.seales elctricas y; manteniendo intacta sus cualidades, laseleva de valor (del orden de unos cuantos voltios). Estas sea-les ya son lo suficientemente fuertes como para poder sertransformadas en sonidos audibles por parte del altavoz.

Figura 13.2. Amplifkador de audio

Estudiaremos ahora algunas de las caractersticas de losamplifieadores que nos ayudarn a entender la funcin propiade los mismos.

13.2. Ganancia de un amplificador____,- - _. ., ...._. - _. ',..._,,_,__....__._._......;~~-==

Cuando un amplificador realiza la funcin de elevar laseal que ha sido aplicada a su entrada, se dice que ha produ-

cido una determinada ganancia. Se puede decir que la ganan-cia de un amplificador es la relacin que existe entre el valorde la seal obtenida a la salida y el de la entrada. Depen-diendo de la magnitud elctrica que estemos tratando, se pue-den observar tres tipos de ganancias (Figura 13.3):

Figura 13.3. El amplificador produce ganancia en la seal de entrada.#-::-

~ Ganancia de tensin: que se obtiene midiendo el valor dela tensin de entrada y el de salida y realizando su cociente.

~ Ganancia de corriente; se obtiene midiendo el valor dela intensidad de salida y el de entrada, efectuando sucociente.

f---------

. A = Isalida ;

I lentrada, .._--.J

3 Ganancia de potencia: se obtiene al dividir la potenciaobtenida en la salida eJ]tre la potencia entregada a la entra-da Se puede comprobar con facilidad que, al realizar estaoperacin, el resultado que se obtiene coincide con el pro-ducto de las ganancias de tensin y corriente.

Es corriente encontramos con la ganancia expresada endecibelios (dB). El decibclio es una unidad que se empleapara medi - el nivel sonoro. Para calcular la ganancia de unamplificador en dB aplicamos las siguientes expresiones:

Ganancia de tensin: a" = 20 log ~ Ganancia de corriente: a= 20 log A Ganancia de potencia: ap = 10 log ~

Ejemplo 13.1

La seal de entrada de un amplificador es de 10m V yI IDA. Determinar la ganancia de tensin, potencia ycorriente de este amplificador, si la seal que se obtiene enla salida es de I V Y 10 roA.

Solucin:

A" = V salidaVenlrada

1--= 1000,01

10---10I

A. = IsalidaI Ientrada

~ = A" A = 100 . 10 = 1.000

(j)

En decibelios:

av = 20 log Av = 20 . log 100= 40 dBa= 20 log A= 20 . log 10 = 20 dBap= 10 log Ap= 10 log 1000 ~_69 d~

En conclusin, con este amplificador hemos consegu-..do una ganancia de I00 veces para la tensin y de 10 parala corriente, habiendo conseguido multiplicar por 1.000 lapotencia de la seal de entrada.

13.3. Adaptacin de impedanciasen unamplificador

Los amplificadores poseen una caracterstica fundamental,que es la impedancia que presentan a su entrada y a su salida.

; Impedancia de entrada; es la impedancia que ofrece unamplificador a la entrada, y se calcula aplicando la ley deOhm entre sus extremos:

I V!;-.Z =-11' entrada. el Iemrada

@ Impedancia de salida: es la impedancia que ofrece elamplificador a su salida:

Z = Vsalidas

Para el amplificador del ejemplo anterior, la impedanciade entrada y salida sera:

Z = VeDtradaem 1

entrada

Z = Vsalidasall,alida

0,01

0,001

1--=lOOQ0,01

100

La impedancia de entrada de un amplificador "Zenl" limi-ta el paso de corriente proporcionado por el generador deseales, de tal forma que se podra decir que es la cargaque presenta a dicho generador de seales.

Amplificador

r=>;Entrada (rv}

~

figura 13A. Impedancia de entrada del amplificadory del gellerador de seales.

Los generadores de seal tambin poseen una impedanciacaracterstica, dependiendo este valor del tipo de generador.As, por ejemplo, para un receptor de radio, la antena es elgenerador de seales y su impedancia es de unos 50 O. En elcaso de que el generador de seales fuera un micrfono, laimpedancia podra ser algo mayor, del or:qen de los 10 KQ.

Para que un sistema posea un rendimiento mximo, laimpedancia del generador debe ser igual a la entrada delamplificador. Esto es lo que se conoce como "adaptacinde impedancias",

Para entender esto mejor vamos a suponer los siguientestres casos:

a) En el primer caso, tal como se muestra en la Figura13.5, tenemos un generador de seales de 1OV con unaimpedancia ZG de 50 Q. La impedancia de entrada delamplificador Zent es tambin de 50 O.

. ...Entrada (f\ 'oJ..

figura 13.5. Impedancias iguales.

Las dos impedancias quedan en serie, por lo que lacorriente que se establece en el circuito es igual a:

V 101=--= =0,1 A

Z 50 + 50Suponiendo que las dos impedancias son resistivas, lapotencia que aparece en el amplificador es:

P = Zent 12= 50 0,J2 = 0,5 W

b) En el caso de que la impedancia de entrada del amplifi-cador hubiese sido de ]O .Q, la potencia.que apareceraen el amplificador se calculad" de'Ia misma forma:

V 101=--= 0,166 A

Z 50+ 10

p~=Zen'.oP = 10 0,1662 = 0,27 W~..~ .._-~e) Veamds qu ocurre cuando la impedancia de entrada

del amplificador sea superior a la del generador. En estecaso hemos supuesto que dicha impedancia es igual a1000.

V1=-

Z

10---=O,066A50 + 100z,

P = Zenl 12= 100 . 0,0662 = 0,44 W

En conclusin, la mxima potencia en el amplificador seconsigue cuando las dos impedancias son iguales.

La impedancia de entrada de los amplificadores dependefundamentalmente del tipo de configuracin que seemplee. Seguidamente proporcionamos una relacin apro-ximativa de estos valores:

Colector comn: gran impedancia de entrada (Zenl==300KQ).

Base comn: muy pequea impedancia de entrada(Zent ==50 O).

Emisor comn: valor intermedio de impedancia de entra-da (Zent == 50 KO).

13.4. Clasificacin de los. amplificadores

=====No todos los amplificadores son iguales; existen diferen-

cias entre unos y otros, dependiendo de la magnitud de laseal que se va a amplificar, configuracin, clase, acopla-miento y aplicaciones. En Tabla 13.1 se hace una clasificacinde los mismos:

@; Dependiendo de la seal: existen muchas aplicacionesdonde el uso de una sola etapa amplificadora no es suficien-te para elevar la seal de entrada al nivel deseado. Por estarazn, se emplean varias etapas amplificadoras acopladasadecuadamente, con el fin de imprimir en cada una de ellasel nivel de amplificacin adecuado y, as, conseguir unaseal de salida sin distorsin y con el mximo rendimientopor parte del conjunto del amplificador.

Micrfono Altavoz.. -:-.>'. ","

>.~Pliti~#~tHiE#~itlll!rj :H:~;~~t~~~:';:'.-.:.".---.,-.

Figura 13.6. Diagrama de bloques de las diferentes etapasamplificadoras de un amplificador de audio.

As, por ejemplo, la seal de audio proporcionada por unmicrfono o la seal recogida en la antena de un receptorde radio posee un nivel que en la mayora de las ocasionesno alcanza unos pocos milivoltios o incluso rnicrovoltios.En estos casos se hace necesario por lo menos de dos, treso ms etapas amplificadoras. ste es el caso del ejemplomostrado en la Figura 13.6, donde se aprecia la estructurade un amplificador de audio en un diagrama de bloques.Existe un amplificador previo, o preamplificador depequea seal, que toma la dbil seal proveniente delmicrfono y la eleva hasta un nivel adecuado. Esta seal

se vuelve a amplificar en la etapa excitadora basta obtenerel nivel suficiente para excitar la etapa correspondiente alamplificador de potencia. Esta ltima etapa consigue ele-var el nivel de la seal suficientemente como para excitarel altavoz de salida.

Los amplificadores de pequea seal se utilizan en etapasprevias y poseen una ganancia muy grande de tensin.Este tipo de amplificadores posee una respuesta lineal, esdecir, debe ser fiel y no distorsionar las seales.

Un amplificador de potencia maneja seales ms fuertes yse emplea en las etapas finales. En este amplificador lazona de trabajo es del todo lineal

@ Por su configuracin (ver Figura 13.7).

Base comn

Colector comn

----Emisor comn

figura 13.7. Oasificacin de los amplificadores por su configuracin .

@ Por su clase: esta clasificacin es debida a que no todoslos amplificadores presentan todo el conjunto del ciclo deseal de entrada en la salida.

Clase A: en la Figura 13.8 se muestra el aspecto de lasseales de entrada y salida de un amplificador de clase A.

Figura 13.8. Respuesta de un amplificador de clase A.

La seal que aparece en la salida no est distorsionada conrespecto a la de entrada.

Clase B: la seal que aparece en la salida est recortada,de tal forma que nicamente parecen los semiciclos posi-tivos, tal como se puede apreciar yn los oscilogramas de laFigura 13.9.

Figura 13.9. Respuesta de un amplificador de clase B.

Clase C: en este caso, la corriente que aparece como sealde salida fluye menos de un semiciclo, tal como se apreciaen la Figura 13.10.

--~':: t

Figura 13.10. Respuesta de un amplicador de clase C.

Clase AB: La seal que aparece en la salida es una com-binacin de la clase A y B, es decir, aparece una pequeadistorsin en los picos de la seal de salida (ver Figura13.11).

f'gura13.11. Respuesta de un amplificador de cI~,AB;

'h Por la frecuencia de la seal: como las seales que sequieren amplificar son alternativas, es necesario disearlos circuitos amplificadores teniendo en cuenta el valor dela frecuencia de las mismas.

Los amplificadores de corriente continua trabajan conseales no alternativas y, por lo tanto, poseen una frecuen-cia cero.

Los de audiofrecuencia o de baja frecuencia trabajan confrecuencias audibles en un margen de 20 a 20 KHz.

Los amplificadores de videofrecuencia se utilizan para sea-les en un margen de frecuencias de entre 20 Hz Y 15 MHz.

Los amplificadores radiofrecuencia o de alta frecuencia,se utilizan en sistemas de transmisin de seales de radioy manejan frecuencias del orden de 200 KHz a 300 MHz.

Los de VHF y UHF trabajan en frecuencias de cientos omiles de MHz y se utilizan para la transmisin de sealesde audio y televisin.

-,14.1. Amplificador de emisor,comun

Este tipo de amplificador es muy empleado en etapas pre-vias en los amplificadores de audio, ya que proporciona unarespuesta lineal, es decir, pertenece ala clase A.

En la Figura 14.1 se muestra un amplificador de emisor comn.

+ Vcc

Vsal

Figura14.1. ~plificadorde emisor comn.

Este circuito es similar al que ya estudiamos en los circui-tos de polarizacin de la Unidad de Contenido 12, con lanica diferencia de que aqu aparece un condensador CEconectadosen paralelo con la resistencia de emisor RE' Almismo se le conoce por el nombre de condensador de paso.

La seal de entrada se introduce al amplificador a travsdel condensador de acoplamiento CI y la seal de salida apa-rece amplificada entre los terminales del colector y masa.

La tensin Vcc de la fuente de alimentacin y las resisten-cias Rl' ~ y RE consiguen fijar y estabilizar el punto de tra-bajo del transistor, no interviniendo en la amplificacin de laseal inyectada a la entrada.

El transistor debe estar polarizado adecuadamente con unpunto Q de funcionamiento prximo a la mitad de la recta decarga De esta forma, conseguimos que el amplificador opere deuna forma lineal o de alta fidelidad (sin distorsin en la salida).

Para que el transistor trabaje dentro de la zona lineal, lasfluctuaciones de la seal deben de abarcar una pequea partede la recta de carga. En el caso de que esta seal fuese dema-siado grande, el transistor entrara en las zonas de corte y satu-racin y la seal de salida aparecera distorsionada. AS, porejemplo, si un amplificador de audio distorsiona la seal, el?el altavoz aparece un sonido no deseado, que ya no se corres-ponde con el sonido original.

La seal que aparece en la salida de este amplificadorqueda desfasada 1800 respecto a la seal de entrada; es decir,cuando la seal de entrada crece en sentido positivo, la sealde salida lo hace en sentido negativo. A este fenmeno se leconoce por inversin de fase.

A continuacin vamos a ocupamos de la misin de los con-densadores de acoplamiento y de paso, as como a determinarlas ganancias de tensin, resistencias de entrada y salidamediante circuitos equivalentes.

14.1.1. Condensador de acoplamientoAl estudiar las polarizaciones del transistor ya indicamos

como este condensador permite el paso de la seal de CA,proveniente del generador de seales y bloquea la componen-te continua que pudiese contener la misma.

As, por ejemplo, si realizamos un circuito equivalente, comoel que se muestra en la Figura 14.2, donde nicamente aparezcala impedancia del generador de seales, el condensador de aco-plamiento y la impedancia de entrada del amplificador, podre-mos analizar ms fcilmente los fenmenos que se producen.

Entrada

Condensadorde acoplamiento

\ XcRa \. -; AmplificadorrThtt'~

3,98 10.5 F = 39~8..tFC=---'-'-21t fXC 2 . 1t 20 . 200

.:Consultando en un. catlogo comercial encontraremos. que el condensadorms aproximado por exceso es el de47~F.

Determina tu mismo el valor de la corriente por el cir-.. cuitocon el condensador de 47 ~F y sin l. Se cumple larelacin mnima del 1% indicada en la exposicin terica?

.14.1.2. Condensador de paso

El condensador de paso CE se conecta en paralelo con laresistencia de emisor RE' de tal forma que sta quede prcti-camente cortocircuitada para la seal de C.A. Sin embargo, lacomponente continua fluye por RE como si no hubiese con-densador.

lECA+---.,

(b) (e)(a)

Figura 14.4. a) Condensador de paso. b) circuito equivalente de c.c.e) circuito equivalente de C.A.

En la Figura 14.4a se muestra cmo el condensador haceque la componente alterna de la corriente de emisor se derivedirectamente a masa., mientras que la continua atraviesa a laresistencia RE.

En la Figura 14.4b se ha hecho un circuito equivalente parala c.c. El condensador acta para la C.C. como un interrup-tor abierto.

En el circuito equivalente para la c.A. de la Figura 14.4 e, elcondensador cortocircuita ~ y pone el emisor directamente amasa. Por esta razn, cuando a un amplificador de emisorcomn se le conecta un condensador de paso entre el emisor ymasa, se le conoce como amplificador con emisor a masa.Como ya veremos ms adelante, este condensador mejora nota-blemente la ganancia del amplificador.

14.1.3. Circuitos equivalentesde C.A. y C.C.

Dado que los elementos que componen un circuito ampli-ficador no se comportan de la misma forma para comentealterna que para comente continua., es de gran ayuda encon-trar circuitos equivalentes para cada una de estas componen-tes. De esta manera se pueden determinar con ms facilidadlas caracteristicas propias del mismo.

Circuito equivalente de ec.Se trata de encontrar el circuito equivalente de la Figura 14.5

+ Vcc

(a) (b)

Figura 14.5. al Amplificador de emisor comn. b}Cm:uito equivalente de e.e.

Para ello habr que seguir los siguientes pasos:

a) Como estamos en el equivalente de C.C., hay que eli-minar la..

Vem

Rgura 14.6. Circuito equivalente de eA.

Resistencia del diodo emisor a la c.A.En la Figura 14.7 e se muestra el circuito equivalente de

C.A. de un transistor. Observa cmo el diodo emisor aparececomo una resistencia re' mientras que la unin del colector semuestra como una fuente de corriente. Esta aproximacin esposible siempre que la seal sea pequea y se mueva en unentorno muy cercano al punto Q de operacin.

o

+

Figura 14.7.al Transist6r,bl Diodo de emisor. el Oreuito equivalente de eA.

Aplicando la ley de Ohm entre los terminales de la resis-tencia de emisor, para valores de C,A: se obtiene que:

vber =--e .

le

re = resistencia en C.A. del emisorvbe = tensin aplicada entre la base y el emisorie = corriente de C.A. por el emisor

Existe una frmula matemtica aproximada con la que sepuede calcular el valor de esta resistencia teniendo en cuentaslo la componente de corriente continua lE.

r =e

Esta frmula es de gran utilidad, ya que conociendo elpunto de trabajo Q del transistor, podemos determinar confacilidad la resistencia del diodo emisor.

Nota: Para indicar las magnitudes en corriente continuase han empleado letras maysculas, y letras minsculas paralas magnitudes de corriente alterna.

Ejemplo 14.2. .

Determinar ia resistencia del diodo emisorsi elpuntode trabajo del transistor se encuentra para IE= 2 mA.

Solucin:

Aplicando la expresin aproximada tenemos que:

25mVr = ... 12,5 Qe . 2mA

Este valor de re es aproximado y puede aumentar con latemperatura de la unin. A pesar de todo, nos va a ser demucho provecho para la localizacin de averas.

Ganancia de corriente en C.A. (ficJCuando se estudi el transistor se defina la ganancia de

corriente para C.C. I3cc como la relacin:Ale

~cc= --AIB

Sin embargo, para C.A.. hay que tener en cuenta la com-ponente alterna de la comente, quedando el valor de la ganan-cia de corriente igual a:

Este valor aparece tambin en las hojas de caractersticascomo hfe, o simplemente como p.

Ganancia de tensin en eALa ganancia de tensin para las seales de C.A. es la rela-

cin de tensiones de entrada y salida respectivas.

vsalA =--vvenl-~:-_----....;

Es posible encontrar una relacin aproximada entre laganancia de tensin y las resistencias que componen el cir-cu.ito amplificador de emisor comn, la cual nos va ser degran utilidad para la localizacin de averas.

Para encontrar esta relacin nos valdremos del circuitoequivalente de C.A, que se muestra en la Figura 14.8.

Vent.':

.Re

Figura 14.8. rcuito equivaJente de eA.

Todava se puede encontrar un circuito ms sencillo dondesustituimos el transisfor por la resistencia del diodo emisor yla fuerite de corriente del colector, tal como se muestra en laFigura 14.9.

Obsrvese que aqu no aparecen las resistencias R y ~.Esto es debido a que la tensin de entrada ven! est directa-mente aplicada a los bornes de re' por lo que no hace faltatener en cuenta dichas resistencias para los clculos aproxi-mados que pretendemos realizar. . .

Re

Figura 14.9. Orcuito equivalente de eA simplificado de un amplificador E.c.

La intensidad de la corriente alterna, que aparece por eldiodo emisor, se determina aplicando la ley de Ohm entre losextremos de re:

v >, Cnld iandle = -- , espejan O Vent= ie re (1)

re

Por otro lado tenemos que, aplicando la ley de Ohm entrelos extremos de la resistencia Re, la tensin que aparece en lasalida es:

V 5:\1 = Re ie (Il)

En un transistor se puede afirmar, sin equivocarse mucho,que la corriente de emisor es igual a la de colector:

ie =: ie (1Il)Si sustituimos este valor en la ecuacin (ll) tendremos que:

vsal = Re ie (IV)

Teniendo en cuenta las ecuaciones (I}y(lV), la gananciade tensin ser:

Vsal Re e~ = --o -=: , simplificando

ven! re ie

Ejemplo 14.3

Determinar la ganancia de tensin aproximada en ten-sinde un amplificador deemisorcomn del que se cono-cen los siguientes datos: Re = 1 K,Q, re = 12,5Q.

Solucin:1.000 .

12,580

Ejemplo 14.4De un amplificador de emisor comn se sabe que

Re= 5,1 KQ Yque el punto de operacin Q est fijado paralE = 1 roA. Determinar la tensin que aparece en la salida sise proporciona una tensin pico de 100 mV en la entrada.

Solucin:

Primero se calcula la resistencia del diodo emisor:

25mV

lELa ganancia ser entonces aproximadamente igual a:

r =e ---=25Q

VsalComo Av=--

venlvsal = '" = ..,= 20,4 V

Ejemplo 14.5

En la Figura 14.10 se muestra el circuito de un ampli-ficador de emisor comn.

Determinar:

a) VB' Ve y VE en rgimen esttico.

b) Ganancia de tensin aproximada.

e) Tensin en la salida si se aplica en la entrada unatensin pico de 10 mV.

r--~--:'_----o + Vcc

v.,

Figura 14.10.

Solucin:

La tensin VB que aparece en la base del transistor esla misma que aparece el) la resistencia R2. De tal formaque:

VB=R2 1

La corriente que se establece por R, es la misma que lades-circuito serie formado porel divisorde tensin R y~.

v: 12T= 0,00056 A

RI +Ri 1&.000 + 3.600VB= 3.600' 0,00056 roA =2V

Teniendo encuenta que la tensin VBE es de 0,7 V paratransistores de silicio, la tensin VE del emisor ser:

VE = Va - VBE = 2 - 0,7 = 1,3 VConociendo el valor de esta tensin; se puede calcular

la corriente de emisor lE por la-resistencia RE'

_ VE _ 1,3fE - -. -- 0,0013 A. RE 1.000

La tensin Ve que aparece en el colector se puede cal-cular resolviendo la malla segn la 2u ley de Kirchboff: .

Vc=Vcc~IcRc:

Teniendo en cuenta que: Ie:; lE == O.OOl3AVe = 12 - 0,0013' .3.600 = 7,32 V

Ahora resuelve tu mismo las cuestiones b) y e).

.~ (Rdo.: Av = 187,2; vsal =. 1,87 V)

Nota: Observa cmo el punto de trabajo determinadopor la tensin VCE se .encuentra en un punto intermedio dela rectade carga: . .

Va =v.. - VE = 7,32~J,3= 6,02 V .En el caso de que R, disminuyese hasta. UT! valor de

2,2 KQ cmo quedaran los valores calculados anterior-mente? '.

(Rdo.: VE == 0,6 V; VB = 1,3V; Ve = 9,81 V;Av = 41,2; V sal =.412 mv) .

Ganancia de tensin sin condensador de pasoLa funcin primordial que posee el condensador de paso

~ es la de aumentar la ganancia. Veamos cul sera la ganan-cia de paso sin este condensador (Figura 14.11 a).

r-----....----o+ V cc

+--------0 \/SJ

(a)

(b)

Figura 14.11. a}Amplificador de emisor comn sin condensador de paso.b) Circuito equivalente de eA.

El circuito equivalente para C.A. en este caso ser ahora elque se muestra en la Figura 14.11 b. La resistencia de emisor~ queda en serie con la del diodo emisor re' quedando ahorael conjunto de la resistencia de emisor igual a la suma de RE+ re' La ganancia ser en este caso:

Ejemplo 14.6

Determinar la- ganancia de un amplificador de emisor .comn con y sin condensador de paso del emisor, siendo

. Re = 1 K,.Q,RE= 100,Q Y re=25,Q. ,>

"--:"'

Solucin:

La ganancia con condensador es:

. Re 1.000~ == -. - == .25 ='= 40.' . '. re .

Sin.embargo, la ganancia sin condensador resulta;

Re 1.000.. A,:== 8

re+RE . 25+100."

Observa cmo. se ha reducido. cinco veces la. gananciaal retirar el condensador.

El uso de condensadores de paso resulta ventajoso paraaquellos casos en que la frecuencia no es muy baja. Hay quetener en cuenta que cuanto ms baja es la frecuencia mayor esla reactancia del condensador, aspecto que no interesa, ya quese recomienda que para ste sea efectivo que Xc ~ 0,1 RE'

Si en el Ejemplo 14.6 la frecuencia hubiese sido de slo10Hz, Xc deberia haber sido como mn~o:

Xc=O,l RE=O,IIOO= IOn

1 106e = 1.591 .tf2n;~Xc 2n;1O1O

Esta capacidadcorresponde a un condensador excesiva-mente voluminoso, a pesar d que su tensin de trabajo seabaja.

Cul sera la capacidad de este eendensador si se traba-ja confrecuencias de ms de 100Hz?

14.1.4. Impedancia de entrada y salidaResulta muy interesante conocer la impedancia de entrada

y salida de un amplificador, sobre todo en los casos en que sedesea acoplar diferentes etapas en serie.

En un amplificador de emisor comn este valor viene a serdel orden de 50 K,Q.

Por otro lado, la impedancia de salida de C.A. es del ordende 1K,Q, dependiendo fundamentalmente de la resistencia decolector Rc'

Por ltimo, haremos un resumen de los aspectos de msinters del amplificador de emisor comn:

a) En este amplificador el emisor del transistor es comna la seal de entrada ya la de salida.

b) La seal alterna de entrada hace que varen la corrien-te de base y colector, y la tensin de salida.

e) La tensin de salida aparece amplificada segn laganancia (V sal = - Av Vem) y con una inversin de fasede 180.

d) El punto esttico de ftmcionamiento del amplificadordebe estar en el centro de la recta de carga y la varia-cin pico a pico de la corriente de colector deber sermenor del 10% del valor esttico. As. se elimina laposibilidad de distorsin.

e) La ganancia de tensin depende de los valores de la'resistencia de colector y de emisor.

j) El condensador de paso del emisor aumenta la gananciade tensin.

De aqtti'" se deduce que la ganancia de tensin en esteamplificador siempre ser menor que la unidad.

La tensin de salida sigue las mismas variaciones que la deentrada, por lo que se puede afirmar que no existe desfaseentre las mismas.

t4.2.1. Ganancia de tensinPara determinar la relacin que existe entre la ganancia de

tensin de este amplificador con los valores de resistencia, serecurre al circuito equivalente de C.A. mostrado ep)' Figura14.13 b. "

+ Vcc l

14.2. Amplificador de colectorcomn (C.G.)

V"nto-_-rt----o V,a

Este circuito amplificador, del cual se muestra el esquemaen la Figura 14.12. tambin se conoce por el nombre de segui-dor de emisor.

+ Vcc (a), (b)Figura 14.13. a) Amplificador de colector comn.

b) Circuito equivalente de CA.

Segn el circuito equivalente de la Figura l4.13 b, tenemosque: -,

vsal = ie RE

vem = ie (RE + Te)La ganancia ser 011tonces:

~ 'C

"sal ie RE1\,=--= ---- simplificando:Venl i" (RE + re) ,

Ejemplo 14.7 .

Determinar la ganancia de un amplificador d colectorcomn si RE= 3,6K.Qy Te"" 25 Q.

Solucin:

. 3.600 .A .~ .. 0;993v 3.600+25

Lo que indica que la ganancia es muy prxima ti la unidad.

Este amplificador apenas provoca distorsin en la salida,Porlo que, si se aplica una tensin senoidal a la entrada, sepuede comprobar cmo aparece en la salida una tensin detipo senoidal sin distorsin.

+-------0 "l5;:1r-. \ ,\ i\ .....1

Figura 14.12. Amplificador de colector comn.

Estos amplificadores poseen una impedancia de entradamuy elevada, del orden de cientos de miles de ohmios, Estacaracterstica hace que el amplificador de colector comn seaideal en los casos en que el generador de seales posea unaimpedancia caracterstica muy elevada. De esta forma, se con-sigue que la seal de C.A. no se pierda en la alta impedanciade dicho generador. Despus de este amplificador, puedeseguir una etapa amplificadora con emisor comn, que poseeuna mayor ganancia de tensin.

Veamos cmo opera este amplificador.

Segn se puede apreciar en la Figura 14.12, la tensin de.entrada se aplica directamente a la base del transistor y la tensinde salida aparece en el emisor. Esta tensin es siempre algo infe-rior a la de entrada, tal como se deduce de la siguiente relacin:

V.al = Vent - VBEAs, por ejemplo, si Vent = 10 V, como VBE en un transistor

de silicio es 0,7 V:

VSal = 10 - 0,7 = 9,3 V

Ejemplo 14.8

En la Figura 14.14 aparece el circuito de UIi amplifica-dor de colector comn con polarizacin mediante un divi-sor de tensin. Determinar V 13' Vo VE ' as como la ten-sin que aparece en la salida de este amplificador, cuandose le aplique a su entrada una seal de 5 V.

.......~------+ Vcc12V

Venl5V

~ __~ ~V~

Figura 14.14.

Solucni

La tensin V B esJa que aparece'entre los terminales dela resistencia R? del divisor de tensin. Aplicando la leyde Ohm tendremos que:

VB=R2Por otro lado tenemos que:

v.; 121= 0,00066A

RI + ~ 10.000+ 8.200VB = 8.200 . 0,00066~ 5,4 V

Esta tensin fija la tensin de emisor:

VE = VB - VBE= 5,4 - 0,7 = 4,7 V

La tensin de colector Vc coincide con la de la fuenteVcc' ya que no existe ninguna resistencia entre el colectory_dicha fuente.

Vc= 12 V-"La corriente de C.e. de emisor se calcula aplicando la

ley MeOhm entre los extremos de RE:

VE 4,71 = _. - = . = O0013 A = 1 3 mA. E RE 3.600' ,

En este caso la resistencia del diodo emisor queda fija-da en: .

25mVr = --- --- = 19,23Qe lE 1,3mA.

La ganancia ser entonces:

RE 3.600A,,= =0,995

. RE+ re 3.600+ 19,23Ya podemos calcular la tensin de salida:

V sal =A., Vent '7;,0.;995,5 ~ 4,975 VComo se puede aprecian-las tensiones de entrada ysal-

da son prcticamente iguales.

25mV

14.2.2. Utilidad del-amplificadorde colector comn

La impedancia de entrada de este amplificador es extrema-damente elevada, mientras que la impedancia de salida delmismo es muy baja, del orden de unas decenas de ohmios. Poresta razn, este amplificador posee un gran campo de aplica-cin como adaptador de impedancas; a veces tambin se leconoce por el nombre de amplificador de aislamiento.

Este amplificador es ideal en aquellas aplicaciones en lasque el generador de seales posee una impedancia caracters-tica muy alta, ya que su gran impedancia de entrada represen-ta una carga muy leve para ste. En estas circustancias, lacorriente que debe ceder el generador es muy pequea, con loque ste se ve aislado de la carga que supondra el resto delcircuito.

Por ltimo indicar que, al poseer este amplificador unaganancia cercana a la unidad, habr que utilizarlo en combi-nacin con amplificadores de emisor comn para conseguirlos efectos de amplificacin deseados, tal como se muestra enel ejemplo de la Figura 14.15.

Etana de colector Etapa de emisorcomncomn

Figura 14.15. Combinacin de un amplificador de colector comn de granimpedancia de entrada con uno de emisor comn de gran ganancia.

14.3. Amplificador de basecomn (Be)

En este amplificador la base es comn a las seales deentrada y salida, tal como se muestra en el circuito de la Figu-ra 14.16. La seal de entrada se aplica al emisor y la seal desalida se obtiene en el colector. Las resistencias RI y R2 for-man un divisor de tensin que polariza a la base. El conden-sador C3 conecta la seal de c.A. de la base a masa.

La impedancia de entrada de un amplificador de basecomn es muy baja, del orden de decenas de ohmios (aproxi-madamente se cumple que Zcoi = re)' Esto le hace muy tilpara etapas de amplificacin en las que existen generadoresde baja impedancia.

+Vcc

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14.5. Acoplamiento deamplificadores

Normalmente la ganancia producida por una sola etapaamplificadora es insuficiente para producir la amplificacindeseada. En estos casos. se acoplan dos, tres o ms etapas encascada, tal como se indica en el diagrama de bloque de laFigura 14.18.

Figura 14.18. Diagrama de bloques del acoplamiento de amplificadores.

La ganancia total que se consigue con este acoplamiento es:

Vsal~'T=--

Venl

Teniendo en cuenta que las ganancias que se consiguen encada una de las etapas se calculan as:

VI - V2 Vsa1Av1=-- A,'2=--' ~'3=--v., VJ V2

Operando llegamos a la conclusin que:

A"T = AVJ "2 ~'3El resultado obtenido nos indica que la ganancia de un

amplificador con varias etapas en cascada es igual al produc-to de las ganancias de cada una de ellas.

As, por ejemplo, si se acoplasen dos etapas en cascada queposeyeran una ganancia de 100 cada una, se conseguira unaganancia en conjunto igual a:

Avt= 100 100 = 10_000

Para realizar este acoplamiento pueden utilizarse conden-sadores, transformadores, acoplamiento directo y otros siste-mas que estudiaremos a continuacin.

Figura 14.16. Amplificador de emisor comn.

Sin embargo, la impedancia de salida es muy elevada

La ganancia de tensin de este amplificador es bastantebuena, muy parecida a la del amplificador de emisor comn;en este amplificador tambin se cumple que:

RA ::::__ c_VT

re

Tambin responde excelenremente a las muy altas frecuen-cias, por lo que constituye un buen amplificador de radiofre-cuencia (RF). En los sistemas de recepcin de RF el genera-dor de seales es la propia antena del receptor. staproporciona una seal muy dbil y su impedancia caracters-tica es baja, de unos 50 n, lo que hace que la impedancia deentrada de un amplificador de BC se adapte perfectamente ala misma. En la Figura 14.17 se muestra el circuito de unamplificador de radio frecuencia con base comn.

Antena

C5

r---------~-4t-oV~C4 de RF

+ Vcc

Figura 14.1,. Amplificador de radiofrecuenciaen configuracin base comn.

14.4. Cuadro resumen de lascaractersticas de los

=~~~~Iifi~ado=re=s=.==En la Tabla 14.1 se expone un cuadro comparativo de las

diferentes caractersticas de los amplificadores en sus distin-tas configuraciones bsicas.

14.5.1. Acoplamiento concondensador o Re

En la Figura 14.19 se muestra el acoplamiento de dosamplificadores de emisor comn mediante el condensador C2

Figura 14.19. Acoplamiento de amplfficadores con condensador.

Esta forma de acoplamiento es vlida cuando las seales deentrada son de corriente alterna. El condensador bloquea lasseales de C.e. de un amplificador a otro y permite el paso dela seal de e.A. De esta forma, se consigue que las diferentesetapas queden aisladas en lo que se refiere a la C.e. y, as, seevita el desplazamiento de los puntos Q de funcionamientodel transistor de cada etapa.

Para entender mejor. esto, tomemos como ejemplo elamplificador en cascada de la figura 14.19. Al medir la ten-sin esttica del colector de T, nos da una tensin de 10 V.Sin embargo, la tensin esttica de la base de T2 es algo infe-rior, unos 7 V. En este caso, cada uno de estos transistoresposee un punto de funcionamiento independiente. Esto seconsigue gracias al aislamiento que produce el condensador ala e.c.

En el caso de que se cortocircuite el condensador de aco-plamiento e" la tensin de 10 V quedara aplicada a la basede T" llevando a este transistor a la saturacin y la respuestade este ltimo ya no sera lineaL

El tipo de condensadores que se suelen utilizar para estetipo de acoplamiento son los electroliticos. Con ellos se con-sigue un valor elevado de la capacidad; aspecto de graninters para reducir la reactancia de los mismos a las bajas fre-cuencias de las seales de e.A. No obstante, este tipo de aco-plamiento deja de ser ventajoso para frecuencias demasiadobajas, pudindose afirmar que su aplicacin es aceptable para

+frecuencias de seal de C.A. superiores a los 10 Hz,

14.5.2. Acoplamiento directoEn la Figura 14.20 se muestra un acoplamiento directo de

dos etapas amplificadoras. Este tipo de acoplamiento se utili-za cuando la frecuencia de la seal es inferior a 10Hz. Paraestas frecuencias tan bajas los condensadores tendran queposeer una capacidad elevada; cosa inviable en la mayora delos casos.

+ Vcc

;f-!

Vsal

Figura 14.lO. Acoplamiento directo de amplificadores.

El acoplamiento directo tambin se aplica para trabajar conseales de C.e., como es el caso de instrumentos de medida yoscloscopos, que en algunos casos operan con este tipo decorriente.

Estos amplificadores han de disearse de forma que lasconexiones directas no desven los puntos de trabajo de cadatransistor. As, por ejemplo, en el amplificador de la Figura14.20 hay que tener en cuenta que la tensin de emisor de TIes la misma que la base de T2' Todas las etapas necesitan pun-tos de funcionamiento con tensiones comunes, lo que complicael diseo en los casos en que hay que acoplar muchas etapas.

Con este acoplamiento se aumenta la sensibilidad a los cam-bios de temperatura. Por ejemplo, si aumenta la temperatura enla primera etapa, la corriente de fuga se eleva, aumentando tam-bin 13; esto hace desplazar el punto de funcionamiento del tran-sistor de la siguiente etapa, haciendo al sistema muy inestable.

Otro inconveniente es que se amplifican.as variaciones detensin que se producen en la alimentacin.

Tanto en el acoplamiento Re como en el directo, la rela-cin de fase entre la entrada y la salida depender del nmerode etapas y del desfase que produzca cada una de ellas sobrela seal de entrad :;:'~s, por'ejemplo, en el caso de que todaslas etapas estn en configuracin EC, la salida estar en fasecon la entrada para un nmero par de etapas, producindoseun desfase de 1800 si es impar.

14.5.3. Amplificador DarlingtonEn la Figura 14.21 se muestra un procedimiento amplia-

mente utilizado para acoplar directamente dos transistores enconfiguracin emisor comn. A este circuito se le conocecomo conexin Darlington. La ganancia de tensin que seobtiene del conjunto es aproximadamente la unidad. Sinembargo, se consigue una gran ganancia de corriente, ya questa es aproximadamente igual al producto de las gananciasde cada uno de los transistores."

(Darlington) = ~1 ~1

As, por ejemplo, si los transistores de un par Darlingtontienen una ganancia de 150 cada uno, se conseguir unaganancia de conjunto igual a:

1\ = 150 . ISO = 22.500.- _::.>Y

+ Vcc

F'tgura 14.21. Amplificador Darlington.

La gran ventaja de este circuito es que posee una impedan-cia-. de entrada muy grande y una impedancia de salidapequea. Este hecho, unido a la gran ganancia de corriente,hace que este circuito sea de gran inters en aquellas aplica-cionesen donde sea necesario aislar las fuentes de seal conimpedancia;~le\rada de las cargas con pequea impedancia.

Las parejas de transistores que forman el circuito Darling-ton se suelen fabricar en una sola cpsula con slo tres termi-nales, tal como se muestra en la Figura 14.22.

Colector

Base O-~~l,"I"'

EmisorFigura 14.22. Transistor Darlington.

14.5.4. Acoplamiento contransformador

En la Figura 14.23 se representa un amplificador acopladocon transformador. El bobinado primario del mismo hace lasveces de carga del colector del transistor. En el secundario seconecta la carga, que puede ser un altavoz u otra etapa ampli-ficadora. La seal se acopla de una etapa a otra mediante eltransformador. Las ventajas del transformador estn en laadaptacin de impedancias que con l se consiguen.

La relacin de transformacin de un transformador vienedada por la relacin que existe entre el nmero de espiras delbobinado primario y el secundario. Esta relacin se cumpletambin y con bastante aproximacin para las tensiones ycorrientes de ambos bobinados, es decir:

N VI 12m=--=--=--

N2 V2 11

+ VccTransformador

1Vsal

'-~

-'-Figura 14.23. Acoplamiento de amplificadores con transformador.

Si llamamos ZI a la impedancia del bobinado primario y Za la impedancia de la carga que se conecta en el secundariose cumplir que:

VI1 =-1 Z'

1

V.,1 =--:2 Z2

Sustituyendo estos valores en la expresin indicada COIanterioridad, tendremos que:

V2 ZI

VI Z2

m2=~Z2

De aqu se deduce que la impedancia que aparece en esecundario es igual a;

T.,m=---=

1)

Z= - - de donde:m Zz

Esta expresin nos indica que con un transformador se consigue reduci t~ impedancia y mejorar la eficacia del acoplamiento para cargas de baja impedancia.

Ejemplo 14.9

"Supongamos que el transformador de la Figura 14.23posee 200 espiras en el bobinado primario y 20 en el secun-dario, y que la carga que aparece acoplada en el secundarioes de 16 ohmios. Determinar la carga a la que queda some-tido el colector del transistor. - "

Solucin:. '. ..

Primero calculamos la relacin de transformacin:

., N -,200 _m------lO

N2 20

La carga que aparece en elprimario y que es la aplica-oda al colector del transistor, es:

Z] =ni2 Zz"; 102 16 =1.600 Q "

Teniendo en cuenta que Se trata de un amplificador deemisor comn, esta impedancia ser suficiente para pro-vocar una aceptable ganancia de tensin. Recuerda que

para este tipo de amplificadores A..c =Rdre" De esta forma,si, por ejemplo, el valor de la resistencia del diodo emisorfuese 8 n, la ganancia obtenida tendra un valor de:

A,. = 1.600 .= 2008 .

Por otra parte, debido a que el transformador actacomo reductor, la ganancia quedara reducida con el aco-plamiento segn la relacin de transformacin, es decir:

A =~=~=20""vI m 'lO "

A pesar de esta reduccin, con el transformador se con-o sigue ms ganancia que si hubiese hecho un acoplamien-to directo" Comprobmoslo:

Si Re= 16Q, la ganancia de tensin hubiera quedado as:!, Re 161\,=-=-. -=2

re 8