Conceptos Básicos De Los Diseños De Amplificadores

Un amplificador es un término que se utiliza para describir un circuito que aumenta el nivel de la señal que entra en él. Los amplificadores se utilizan en una gran variedad de áreas, desde aplicaciones de audio hasta de radiofrecuencia.

Sin embargo, para todos los amplificadores, ya sean de CC, de audio, de radiofrecuencia, de pequeña o gran señal, o para cualquier otra aplicación, hay muchas consideraciones comunes.

Los amplificadores electrónicos pueden clasificarse de muchas maneras. Pueden ofrecer altas impedancias de entrada, bajas impedancias de salida, pueden tener una variedad de diferentes modos de polarización y operación. Alta potencia, bajo ruido, clase A, clase B, clase C, etc. Cada tipo se elige para adaptarse a una aplicación diferente.

Símbolo del circuito del amplificador

El símbolo normal de un amplificador es un triángulo y, en los diagramas de bloques, suele incluirse dentro de un cuadrado, como se muestra a continuación.

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A menudo, el símbolo del amplificador, especialmente cuando se utiliza dentro de un circuito, se representa simplemente como un triángulo, como se muestra a continuación.

Este segundo símbolo es el que se usa típicamente para denotar un amplificador operacional, o op amp dentro de un circuito.

Fundamentos del diseño de amplificadores

Un amplificador se puede hacer de muchas maneras. Pueden utilizar transistores bipolares, transistores de efecto de campo e incluso válvulas termiónicas / tubos de vacío. Los amplificadores pueden estar incluidos dentro de algún tipo de bloque de circuito o circuito integrado. Incluso pueden tener la forma de amplificadores operacionales, op amps.

Un amplificador puede considerarse como un bloque que tiene dos terminales de entrada y dos terminales de salida. Como la conexión a tierra suele ser común a la entrada y a la salida, a menudo sólo hay tres terminales: entrada, salida y el común.

Un amplificador tiene tres propiedades principales:

Resistencia de entrada -Rin: La resistencia de entrada es la resistencia que ve una fuente de señal cuando se aplica a la entrada del amplificador. La resistencia de entrada se convertirá en una carga para la fuente. El caso en el que la carga es puramente resistiva es un caso especial, y más normalmente será una impedancia. Sin embargo, a efectos de esta explicación, se considerará resistiva.

La resistencia de entrada puede determinarse fácilmente midiendo la corriente y la tensión de entrada, y utilizando la ley de Ohm para determinar la resistencia

Resistencia de salida -Ruta La resistencia de salida es la que se puede considerar dentro del amplificador como se muestra a continuación. Formará una red divisora de potencial con cualquier carga que se aplique al amplificador.

De nuevo, la salida tendrá elementos capacitivos indicativos que significan que será una impedancia, pero para la mayoría de las aplicaciones de baja frecuencia y para esta explicación, se puede considerar que es resistiva.

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La resistencia de salida puede determinarse midiendo la tensión de salida en condiciones de ausencia de carga, y luego en condiciones de carga, es decir, con la carga aplicada. Conociendo la tensión en circuito abierto y la resistencia de carga, así como la tensión que cae a través de la resistencia interna bajo carga, es posible determinar la resistencia de salida de la fuente.

Ganancia: La ganancia del amplificador es, obviamente, un elemento clave de su rendimiento.

Normalmente, la ganancia de tensión, AV, es el factor clave de interés. Se define como la tensión de salida dividida por la tensión de entrada:

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A menudo, en un amplificador la forma de onda puede estar invertida, y esto se representa por el hecho de que la ganancia es negativa. En otras palabras, si el amplificador tuviera un valor absoluto de ganancia de 5, pero invirtiera la señal, para una entrada de 1 voltio, la salida sería de - 5 voltios, y cuando se introduce en la ecuación, esto daría una ganancia de -5.

También es posible tener ganancia de corriente dentro de un circuito. Esto es particularmente útil cuando se necesita conducir una carga de baja impedancia. Es necesario aumentar el nivel de corriente, a menudo manteniendo el mismo voltaje.

Los circuitos como los seguidores de emisor de los transistores bipolares, los seguidores de fuente de los FET, los amortiguadores de los amplificadores operacionales con una retroalimentación del 100%, y para esto usando tubos/válvulas los circuitos demandados para esto son típicamente seguidores de cátodo.

Cuando se utiliza un circuito para proporcionar ganancia de corriente, a menudo es necesario asegurarse de que el circuito tiene suficiente capacidad de conducción. Mientras que el circuito puede ser capaz de proporcionar el nivel de ganancia de corriente para niveles bajos de corriente, en algunos casos pueden no ser capaces de proporcionar altos niveles de corriente que pueden ser necesarios en algunos casos. Utilizando un ejemplo muy obvio, un pequeño búfer de amplificador operacional no sería capaz de accionar un altavoz grande por sí solo.

Ganancia de potencia del amplificador y diseño

A veces es útil definir la ganancia de potencia proporcionada por un amplificador al probar o diseñar uno. Esto suele ser de gran interés para los amplificadores de RF, especialmente los utilizados en los transmisores.

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Como la potencia es el voltaje multiplicado por la corriente en un circuito, la ganancia de potencia puede expresarse simplemente como el producto de ambos.

• Ganancia de potencia, Ap=Av × Ai

Cuando se especifica la ganancia de potencia de un amplificador, es normal expresarla en decibelios:

• Ganancia de potencia en dB, ap = 10log(Ap)

También es posible utilizar los niveles de tensión y corriente para proporcionar la ganancia expresada en dB, pero hay que tener en cuenta los cambios de impedancia.

Eficiencia del amplificador

Uno de los parámetros clave del diseño de cualquier amplificador es su eficiencia. Esto puede ser especialmente importante para los equipos que funcionan con baterías, en los que la duración de éstas es importante.

La eficiencia del amplificador es esencialmente la potencia de salida dividida por la potencia de entrada. Normalmente se considera que la potencia de entrada es la potencia de CC aplicada para alimentar el amplificador.

El rendimiento también se expresa en porcentaje. De este modo, la eficiencia básica del amplificador considerando sólo la entrada de CC puede tomarse de la siguiente manera:

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El nivel de eficiencia de un amplificador dependerá de una serie de factores, como la clase del amplificador, la proximidad a los raíles de la señal de salida, las pérdidas en el circuito, etc.

Clases de amplificadores

A menudo se hace referencia a las clases de amplificadores, como Clase A, Clase B, Clase C, Clase AB y otras, cuando se investiga la forma del amplificador. Al diseñar un amplificador, la clase es a menudo un elemento que aparecerá al principio del ciclo de diseño.

Al cambiar la forma en que se polariza un amplificador, es posible cambiar su funcionamiento y mejorar el nivel de eficiencia, pero a menudo a costa de la cantidad de distorsión creada.

A continuación se enumeran algunas de las principales clases de amplificadores:

• Clase A: Un amplificador de clase A está polarizado para que conduzca durante todo el ciclo de la forma de onda. Proporciona una salida lineal con la menor distorsión, pero también tiene el nivel de eficiencia más bajo. El rendimiento máximo teórico es del 50%, pero rara vez se alcanza este nivel y no es de extrañar que se alcancen niveles de rendimiento del 20% o menos.
• Clase B: Un amplificador de clase B está polarizado para que conduzca más de la mitad de la forma de onda. Utilizando dos amplificadores, cada uno de los cuales conduce la mitad de la forma de onda, se puede cubrir toda la señal. La eficiencia es mucho mayor, pero el amplificador de clase B sufre lo que se denomina distorsión cruzada, donde una mitad del amplificador se apaga y la otra entra en juego. Esto se debe a las no linealidades que se producen cerca del punto de desconexión. Aunque la eficiencia máxima teórica de un amplificador de clase B es del 78,5%, los niveles típicos de eficiencia son mucho más bajos.
• Clase AB: Como es de esperar, un amplificador de clase AB se sitúa entre la clase A y la clase B. Intenta superar la distorsión de cruce encendiendo ligeramente los transistores en su estado de reposo, de forma que conduzcan durante algo más de la mitad del ciclo, superando así la distorsión de cruce.
• Clase C: Un amplificador de clase C está polarizado para que conduzca durante mucho menos de la mitad del ciclo. Esto da lugar a niveles de distorsión muy elevados, pero también permite alcanzar niveles de eficiencia muy altos. Este tipo de amplificador puede utilizarse para los amplificadores de RF que transportan una señal sin modulación de amplitud; puede utilizarse para la modulación de frecuencia sin problemas. Los armónicos creados por el amplificador que funciona efectivamente en saturación pueden eliminarse mediante filtros en la salida. Estos amplificadores no se utilizan para aplicaciones de audio debido al nivel de distorsión.

Hay otras clases de amplificadores, pero éstos adoptan algunas técnicas ligeramente diferentes.

Los amplificadores son uno de los circuitos más utilizados: se emplean en aplicaciones de audio, CC, radiofrecuencia y muchas otras. Son uno de los circuitos analógicos más comunes. Existe una gran variedad de circuitos, ya sea con op amps, transistores bipolares, FETs o incluso las antiguas válvulas de vacío/termiónicas.

Sean cuales sean los dispositivos utilizados en el circuito, los principios básicos son los mismos, y pueden aplicarse sea cual sea la forma de dispositivo utilizada.

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