AMPLIFICADORS

 

Classificació dels amplificadors

Tipus de distorsió

Classes d’amplificació

L’inversor de fase

Disseny de l’inversor de fase

L’amplificador operacional

Principi de realimentació

Càlcul del guany amb realimentació

Amplificadors realimentats

Efecte de la realimentació 
en l’ample de banda i en la distorsió

 

Classificació dels amplificadors

Concepte

L’amplificador és un dispositiu per augmentar l’amplitud, o potència, d’un senyal elèctric. S’utilitza per ampliar el senyal elèctric dèbil captada per l’antena d’un receptor de ràdio, l’emissió feble d’una cèl · lula fotoelèctrica, el corrent atenuada d’un circuit telefònic de llarga distància, el senyal elèctric que representa el so en un sistema de megafonia i per a moltes altres aplicacions.

Les petites variacions en el senyal d’entrada generen variacions corresponents, però molt més grans, en el senyal de sortida. Per aconseguir-ho ha proporcionar-energia per mitjà d’una font d’alimentació. El coeficient d’aquests canvis de senyal s’anomena factor d’amplificació.

Un dispositiu d’amplificació d’ús molt comú és el transistor. Altres formes de dispositius amplificadors són els diferents tipus de tubs de buit termoiònics com el tríode, el pentodo, el klistrón i el magnetró.

Els transistors han substituït en gran mesura els tubs d’electrons en els dispositius més comuns. Aquests elements semiconductors d’estat sòlid ofereixen un alt factor d’amplificació, funcionen sense distorsió en una àmplia banda de freqüències i poden ser extremadament petits. Utilitzant tècniques de circuit integrat és possible col · locar milers d’amplificadors de transistor en petitíssimes plaques de silici.

Guany

Es diu així a la relació entre la sortida (amplificada) i l’entrada.

Depenent de la magnitud elèctrica a tractar tenim:

És fàcil deduir que:   A p   = A v   · A i

Classificació

Els amplificadors poden classificar atenent la seva:

SENYAL

CONFIGURACIÓ

CLASSE

FREQÜÈNCIA

Petit senyal

Emissor comú

A

Corrent continu

Potència

Col · lector comú

B

Audiofreqüència (AF)

 

Base comú

C

Videofrecuencia (VF)

 

 

AB

Radiofreqüència (RF)

 

 

 

Molt alta freqüència (VHF)

 

 

 

Ultra alta freqüència (UHF)

Atenent al senyal

En moltes aplicacions, una única etapa amplificadora no és suficient, emprant-se diverses etapes acoblades adequadament per tal d’aconseguir una sortida sense distorsió i un rendiment òptim.

El senyal que proporciona un micròfon, per exemple, o el senyal recollida per l’antena d’un receptor de ràdio, és tan sols d’uns pocs milivolts o fins i tot microvolts. En aquests casos s’utilitza un   preamplificador   de petit senyal que l’eleva fins a un nivell adequat per excitar un   amplificador de potència, que serà l’encarregat d’alimentar l’altaveu de sortida.

Els amplificadors de petit senyal tenen un elevat guany de tensió per tractar senyals febles, mentre que els de potència tracten senyals més forts i s’empren en les etapes finals.

Atenent la seva configuració

El transistor utilitzat com a amplificador pot polaritzar en emissor comú, col · lector comú o base comuna.

Un aspecte important a tenir en compte en un amplificador és la seva impedància d’entrada, ja que, la màxima transferència de potència des d’un generador de senyal a un amplificador s’aconseguirà quan la resistència del generador sigui igual a la impedància d’entrada de l’amplificador.

La impedància d’entrada d’un amplificador depèn fonamentalment de la seva configuració pot aproximar pels valors de la taula següent:

Base comú

Molt petita impedància d’entrada

50 ohms

Emissor comú

Impedància d’entrada intermèdia

50.000 ohms

Col · lector comú

Gran impedància d’entrada

300.000 ohms

Atenent a la seva classe

Classe A

Amplifiquen el senyal d’entrada en tota la seva amplitud sense distorsió.

Classe B

Amplifiquen únicament el semicicle positiu del senyal d’entrada.

Classe C

Amplifiquen un tram del senyal d’entrada inferior a un semicicle.

Classe AB

Amplifiquen més d’un semicicle sense arribar al cicle complet en tota la seva amplitud, apareixent una petita distorsió en els pics del senyal de sortida.

Atenent a la seva freqüència

Amplificadors de corrent continu

Els amplificadors de corrent continu treballen amb senyals no alternatives, és a dir, de   freqüència zero.

Amplificadors de so

Els amplificadors de so, d’ús comú en ràdios, televisions i gravadores de cintes, solen funcionar a freqüències audibles, entre   20 Hz i 20 kHz   (1 kHz = 1.000 cicles per segon). Amplifiquen el senyal elèctric que, a continuació, es converteix en so amb un altaveu. Els amplificadors operatius, incorporats en circuits integrats i formats per amplificadors lineals multifàsics acoblats al corrent continu, són molt populars com amplificadors de so. 

Amplificadors de vídeo
 

Els amplificadors de vídeo s’utilitzen principalment per a senyals amb un rang de freqüències de
   20 Hz a 15 MHz   (1 MHz = 1 milió de cicles per segon). El senyal generada per l’amplificador es converteix en la informació visual que apareix a la pantalla de televisió, i l’amplitud de senyal regula la brillantor dels punts que formen la imatge. Per realitzar aquesta funció, un amplificador de vídeo ha de funcionar en una banda ampla i amplificar d’igual manera tots els senyals, amb baixa distorsió. 

Amplificadors de radiofreqüència
 

Aquests amplificadors augmenten el nivell de senyal dels sistemes de comunicacions de ràdio.
 En general, les seves freqüències van des   100 kHz fins a 300 MHz.

Amplificadors de VHF i UHF

Treballen en freqüències de   MHz o GHz   (1 GHz = 1.000 milions de cicles per segon), i s’utilitzen per a la transmissió de senyals d’àudio i televisió.

 

Tipus de distorsió

La distorsió

El senyal de sortida d’un amplificador no sempre es correspon fidelment al senyal que es presenta en l’entrada. En aquest cas ens trobem davant el no desitjat efecte de la distorsió.

La distorsió és perquè els elements utilitzats en els circuits no són del tot lineals ia l’existència de capacitats, degudes als condensadors utilitzats ia les paràsites que apareixen entre els components del circuit.

Es poden definir tres tipus de distorsió: alineal, de freqüència i de fase.

La distorsió alineal

És deguda a la no linealitat dels components utilitzats i s’agreuja amb els canvis de temperatura, provocant diferències entre la forma d’ona de sortida i la d’entrada en algunes parts del cicle.

La distorsió de freqüència

Normalment un amplificador no es dissenya per treballar únicament amb una freqüència de senyal d’entrada, si no per a un cert rang de freqüències. Per exemple, un amplificador d’àudio hauria de poder treballar amb tota la gamma de freqüències que percep l’oïda humana, és a dir, d’uns 20 Hz a uns 20.000 Hz Si en algun tram d’aquestes freqüències l’amplificador no aconsegueix reproduir adequadament els senyals, el so lliurat als altaveus perdrà qualitat i serà percebut per l’oient.

Aquesta distorsió és deguda a les capacitats presents en el circuit i, per a amplificador defineixen una zona d’utilització sense distorsió entre dues freqüències denominades de tall, una inferior i una altra superior.

La gamma de freqüències compresa entre les freqüències de tall es denomina   ample de banda.

Entre les freqüències de tall del guany roman constant però per sota de la de tall i per sobre de la de tall superior, el guany disminueix ràpidament.

La distorsió de fase

Aquesta distorsió fa que el senyal de sortida quedi desfasada un cert angle respecte al senyal d’entrada. També es deu a les capacitats presents en el circuit i cada amplificador té un ample de banda en el qual no es produeix la distorsió.

Segons el diagrama de distorsió de fase anterior, el senyal de sortida avança 90 º a la d’entrada per a senyals per sota de la freqüència de tall inferior i retarda 90 º per a senyals de freqüència per sobre a la de tall superior. Entre les dues freqüències de tall del senyal no pateix distorsió de fase.

 

Classes d’amplificació

La classe d’un amplificador defineix la part del senyal d’entrada que es reprodueix a la sortida.

Classe A

Amplifiquen el senyal d’entrada en tota la seva amplitud sense distorsió.

Classe B

Amplifiquen únicament el semicicle positiu del senyal d’entrada.

Classe C

Amplifiquen un tram del senyal d’entrada inferior a un semicicle.

Classe AB

Amplifiquen més d’un semicicle sense arribar al cicle complet.

Aquesta característica de l’amplificador depèn de la posició del punt de treball del transistor a la recta de càrrega.

Amplificadors classe A

Posseeixen el seu punt de treball en el centre de la recta de càrrega. D’aquesta manera, aconsegueixen la mínima distorsió del senyal de sortida, reproduint la totalitat del senyal d’entrada.

No obstant això, a causa de la situació del punt de treball, el transistor està sotmès a la meitat de la tensió d’alimentació i per ell circula la meitat del corrent de saturació, fins i tot en absència de senyal d’entrada. Per això la potència perduda constantment en aquest tipus d’amplificador és considerable i el seu rendiment baix (fins al 50%).

Aquesta configuració sol emprar en preamplificadors que busquen amplificar senyals dèbils sense distorsió però amb baixes potències i són rebutjats pel seu ús en amplificació de grans potències.

Amplificadors classe B

En aquests amplificadors el punt de treball se situa a la zona de tall de la recta de càrrega.

Això s’aconsegueix amb una polarització de la unió base-emissor nul · la. El transistor no condueix en repòs i només ho farà quan el senyal d’entrada li proporcioni la polarització adequada.

El corrent absorbida de la font en absència de senyal d’entrada és nul · la i amb això es redueix la potència dissipada i s’incrementa considerablement el rendiment.

No obstant això, només reprodueix un semicicle, de manera que la distorsió produïda és molt gran.

Circuit push-pull

Amb la configuració representada a la figura següent, anomenada push-pull, s’aconsegueix polaritzar a classe B dos transistors de manera que cada un d’ells reprodueixi a la sortida el semicicle que l’altre no reprodueix, generant una sortida total d’ona completa que reprodueix en la seva totalitat a l’entrada.

Existeixen circuits push-pull que eviten l’ús de transformadors, com el del circuit següent, on s’han connectat en contrafase dos transistors, un NPN i un altre PNP. Els transistors han de complir certa simetria perquè la caiguda de tensió en cada transistor sigui la meitat de la d’alimentació. Així mateix, les resistències de polarització s’han d’elegir de manera que el punt de treball d’ambdós transistors es situï a la zona de tall.

A causa que els transistors no comencen a conduir fins a superar uns 0,6 volts de tensió entre la base i l’emissor, a la zona propera al pas per zero del senyal d’entrada dels transistors no condueixen i es produeix una distorsió en la sortida en aquesta zona.

Per evitar-ho és necessari aplicar als transistors una petita polarització desplaçant el punt de treball una mica més amunt a la recta de càrrega, per sobre de la zona de tall, de manera que els transistors treballaran ara a classe AB.

Amplificadors classe AB

Com ja hem avançat anteriorment, en aquest tipus d’amplificadors el punt de treball se situa entre la zona de tall i el punt mig de la recta de càrrega, de manera que el senyal reproduïda a la sortida és major d’un semicicle sense arribar a ser-ho en tota la seva amplitud.

Sol treballar a la zona propera al tall, amb el que s’aconsegueix bon rendiment amb baixa distorsió, sent molt utilitzats en les etapes finals de potència dels circuits d’àudio.

Amplificadors classe C

En els amplificadors classe C, el corrent de col · lector circula durate menys d’un semicicle per una excitació sinusoïdal de l’entrada.Presenta el millor rendiment, pròxim al 100%, però és el que major distorsió produeix.

Perquè un transistor treballi en classe C cal que la unió base-emissor estigui polaritzada inversament en absència de senyal d’entrada, amb la qual cosa només hi ha corrent de col · lector durant el temps en què el senyal d’entrada sobrepassa aquesta polarització.

El seu ús està molt restringit a casos especials com els circuits de commutació o els amplificadors de radiofreqüència sintonitzats.

 

L’inversor de fase

L’amplificador en emissor comú

És molt emprat en etapes prèvies dels amplificadors d’àudio. Es polaritza a la zona centre de la recta de càrrega abastant una part petita d’aquesta recta per mantenir la sortida sense distorsió.

El senyal que apareix a la sortida està desfasada   180 º   respecte al senyal d’entrada, raó per la qual rep el nom de   inversor de fase.

A més dels elements de polarització ja estudiats posseeix:

  • C 1   Condensador d’acoblament.
  • C E   Condensador de pas.

Condensador d’acoblament

Bloqueja el component continu del circuit de polarització deixant passar només el senyal d’entrada altern.

Aplicant el circuit equivalent de la figura podem establir el corrent d’entrada a l’amplificador.

Perquè el senyal altern pugui passar sense dificultat la reactància capacitiva   X C   del condensador ha de ser bastant inferior a la suma de resistències   R G   + R ent.

Com a dada pràctic es pot considerar com a bo un condensador la reactància capacitiva sigui igual o inferior al   10%   de la resistència total, de manera que la reducció de corrent d’entrada es limitarà a l’1% com a màxim.

XC1   £   0,1 · (R G   + R ent)

Condensador de pas

El condensador de pas, en paral·lel amb el resistència d’emissor, es pot considerar un curtcircuit per al corrent altern i un circuit obert per a la contínua.

Aquest condensador millora notablement el guany de l’amplificador en eliminar la resistència d’emissor per al corrent altern, mentre que segueix activa per el corrent continu de polarització, el ​​que fa molt més estable el punt de treball Q davant els canvis de temperatura.

En baixes freqüències el condensador perd la seva eficàcia que ha de tenir una capacitat suficient perquè la seva reactància capacitiva  XC sigui inferior o igual al   10%   del valor de   RE.

XCE   £   0,1 · R E

  • En el circuit equivalent per a corrent altern es pot considerar l’emissor connectat directament a massa.

  • En el circuit equivalent per a corrent continu (polarització) es pot considerar l’emissor connectat a massa a través de la resistència d’emissor, com si el condensador no existís.

Circuit equivalent de corrent continu

  • Es curtcircuiten les fonts alternes.
  • S’obren les branques amb condensadors.

Per al càlcul del circuit procedirem així:

  • Suposem que IB és menyspreable enfront de   IDIV   i en el divisor de tensió calculem I DIV,

  • Coneguda IDIV calculem   les tensions VRB1 i VRB2.

  • Suposant VBE=0,6V   per transistors de silici   i   de 0,2V per als de germani, calculem VRE en la malla inferior.

  • En RE calculem IE.

  • IC serà igual a IE doncs hem menyspreat IB.
  • Coneguda IC, calculem VRC.
  • La tensió VCE serà la de la font d’alimentació menys la que cau en les resistències de col·lector i d’emissor.

  • Com es pot comprovar, els càlculs són independents de beta. Això s’aconsegueix gràcies a la resistència d’emissor. Si eliminem aquesta, serà necessari obtenir la intensitat de base a la malla inferior ia partir d’ella calcular la intensitat de col · lector beta vegades més gran.

Circuit equivalent de corrent altern

  • Es curtcircuiten les fonts de contínua.

  • Es curtcircuiten els condensadors.

 

Per senyals petits al voltant del punt de treball, es pot aproximar el transistor per un circuit amb una font de corrent en el col·lector i una resistència en l’emissor.

Per al càlcul aproximat de la resistència d’emissor hi ha una fórmula pràctica a partir del corrent continu d’emissor que ens pot resultar molt útil.

Guany de corrent en corrent altern

És la relació entre el corrent altern per l’emissor i el corrent altern a la base.

Aquest valor apareix en les fulles característiques dels transistors com guany de corrent per a petit senyal, hfe o com b’.

No ha de confondre aquest paràmetre amb el guany de corrent per corrent continu, hFE o b, Els subíndexs estan en majúscules.

Guany de tensió en corrent altern

És la relació entre la tensió alterna a la sortida i la tensió alterna a l’entrada.

Podem trobar una relació entre elles observant el circuit equivalent per a corrent altern.

Hem eliminat R1 i R2 perquè, per estar en paral·lel, la tensió d’entrada està directament aplicada a la resistència d’emissor i només ens interessa el corrent per ella.

La tensió de sortida i el corrent d’emissor prenen el valor.

Si, com en altres ocasions, considerem que el corrent de col·lector i d’emissor són pràcticament iguals podem relacionar ambdues fórmules i deduir la relació de tensions.

Amb el que el guany de tensió serà.

Sol donar-se en decibels (dB), que per el guany de tensió pren el valor:

En el cas de no existir el condensador de pas, la resistència de polarització de l’emissor quedaria en sèrie amb la resistència d’emissor calculada, de manera que no seria difícil demostrar que.

On queda de manifest la reducció de guany que no hi hagi condensador de pas.

 

Impedàncies d’entrada i sortida

És interessant conèixer la impedància d’entrada de l’amplificador per obtenir el millor acoblament del senyal d’entrada i també la impedància de sortida per ajustar el valor òptim de la càrrega o optimitzar l’acoblament amb una altra etapa amplificadora posterior.

La impedància d’entrada és la relació entre la tensió alterna d’entrada i el corrent altern d’entrada i en un amplificador d’emissor comú és l’ordre de   50 kW.

Es pot esbrinar experimentalment posant un potenciòmetre entre el generador de senyal i l’entrada de l’amplificador i mesurant la tensió abans i després d’aquest potenciòmetre amb un aparell de mesura d’alta impedància, com un oscil·loscopi.

Si s’ajusta el potenciòmetre fins que la tensió a l’entrada de l’amplificador sigui la meitat que a la sortida del generador, en aquest moment, el valor del potenciòmetre coincidirà amb la impedància d’entrada. Només cal desconnectar-lo i mesurar-lo.

La impedància de sortida és la relació entre la tensió alterna a la sortida i el corrent altern a la sortida. Aquesta impedància és de l’ordre de 1kW depenent fonamentalment del valor de RC.

Per mesurar-la experimentalment podem mesurar primer la tensió de sortida en buit i després connectar un potenciòmetre a la sortida. Si ajustem el potenciòmetre fins que la sortida sigui la meitat de la mesura en buit, en aquell moment el seu valor coincidirà amb la impedància de sortida de l’amplificador. Només necessitem desconnectar-lo i mesurar-lo.

 

Disseny de l’inversor de fase

Amplificadors de potència amb un únic transistor

S’entén per amplificador de potència, aquella etapa final d’un amplificador, anomenada usualment "etapa de sortida", i l’objecte primari i fonamental és lliurar el màxim de potència a la càrrega a la qual està acoblat i tot això amb el mínim de distorsió i amb el rendiment màxim.

Els amplificadors amb un sol transistor treballen únicament en classe A poden tindre acoblada la càrrega en alguna de les dues formes següents:

  • Càrrega acoblada directament.

  • Càrrega acoblada mitjançant transformador.

Els circuits amplificadors classe A són bàsicament idèntics als seus equivalents de senyal dèbil amb l’excepció que ara els transistors seran del tipus de potència i per tant capaços de dissipar la potència generada.

Inversor de fase amb càrrega acoblada directament

El circuit bàsic en la seva configuració d’emissor comú és l’indicat a la figura següent:

En el procés de disseny d’aquest amplificador caben dues possibilitats:

·        Conegut el transistor i les seves característiques inherents com ara la potència de dissipació màxima (PCEmax), la tensió entre emissor i col·lector màxima (VCEmax) i el corrent màxim que pot circular pel col·lector (ICmax) determinar la resistència de càrrega (R L) i la tensió d’alimentació (VCC) que permetin obtenir la màxima potència de sortida.

·        Coneguda la potència de sortida desitjada (PL) així com la resistència de càrrega (RL) determinar la tensió d’alimentació i les característiques mínimes del transistor.

Conegut el transistor i les seves característiques inherents

Coneguts els valors màxims de la tensió i la intensitat i la hipèrbola de dissipació màxima (punts on VCE · IC = PTRmax), es representen en un gràfic i es traça la recta de càrrega des del punt (VCEmax, 0) al punt (0, ICmax).

·   Si la recta de càrrega no talla a la hipèrbola de dissipació màxima el transistor està sobredimensionat i no hi ha cap perill en el seu funcionament i fins i tot potser pugui ser substituït per un altre de característiques més ajustades.

·   Si la recta és tangent en un punt a la hipèrbola, ens trobem al límit de seguretat del transistor i la recta pot ser acceptada.

·   En el cas que la recta tall a la hipèrbola de dissipació màxima en dos punts se sobrepassen els límits funcionals del transistor i aquesta possibilitat ha de ser rebutjada. En aquest cas s’ha de buscar una recta de càrrega que no talli la hipèrbola. Entre les infinites possibilitats ha de ser rebutjada la que partint del punt d’intensitat màxima i tensió nul · la és tangent a la hipèrbola, ja que, els límits màxims d’intensitat solen ser més perjudicials. Encara que es podria partir del punt de tensió màxima i intensitat nul · la, el més recomanable és buscar dos punts d’intersecció amb els eixos inferiors als màxims i que sigui tangent (o no tall) a la hipèrbola de dissipació.

Un cop triada una recta de càrrega per sota dels valors màxims de tensió, intensitat i potència, tindrem definits els valors màxims d’intersecció amb els eixos V CEM   i I CM   i podrem calcular la tensió d’alimentació i la resistència de càrrega, així com definir les coordenades del punt de treball Q.

Com treballant en classe A interessa que el punt Q de treball estigui al centre de la recta de càrrega, les seves coordenades coincideixen amb la meitat dels valors màxims considerats.

La potència màxima dissipada en el transistor correspon al producte de tensió i intensitat en el punt Q.

La potència proporcionada per la font serà la del transistor més la dissipada en la resistència de càrrega, o bé, el producte de la tensió d’alimentació per la intensitat.

  

Per al càlcul de la potència alterna transmesa a la càrrega considerarem el valor eficaç de la sinusoide l’amplitud és el valor màxim de la intensitat de col·lector, és a dir, la meitat del corrent màxim de col · lector (valor de pic) dividit d’arrel de dos. El quadrat d’aquesta intensitat per la resistència de càrrega serà la màxima potència altern que es pugui transmetre.

  

El rendiment de l’amplificador per a la potència altern transmesa respecte a la lliurada per l’alimentació és del 25%.

Coneguda la potència de sortida desitjada i la resistència de càrrega

A partir de les fórmules anteriors és senzill esbrinar els paràmetres de potència, tensió i intensitat màxims del transistor necessaris, coneguda la potència de sortida desitjada (P L) i la resistència de càrrega (R L).

 

Inversor de fase amb càrrega acoblada mitjançant transformador

Per a un transistor donat és fàcil trobar la càrrega que permeti la màxima potència de sortida. No obstant això, si la càrrega ens ve ja imposada, probablement no coincideixi amb el valor desitjat. Tots aquests objectius es poden aconseguir si acoblem la càrrega al transistor mitjançant un transformador, amb un circuit bàsic que, en la seva configuració d’emissor comú, és l’indicat a la figura següent:

 

Considerant el transformador ideal, la resistència dels seus debanats serà nul·la. Això dóna lloc a una recta de càrrega estàtica (en corrent continu) vertical ia la necessitat de fer coincidir la tensió d’alimentació VCC   amb la del punt de funcionament VCEQ.

  En corrent altern, però, per obtenir la màxima potència de sortida establirem una recta dinàmica de càrrega que passant pel punt Q tall a l’eix de tensions en la tensió màxima VCEM doble de la tensió d’alimentació.

Si a més fem que la recta dinàmica de càrrega sigui tangent a la hipèrbola de dissipació màxima, el punt Q pertanyerà a la hipèrbola i en ell la potència dissipada pel transistor serà la màxima admesa pel mateix.

  

Sent el transformador ideal, perquè la transferència de potència sigui màxima cal que es compleixi que la resistència dinàmica de càrrega R’L   sigui igual a la resistència de càrrega RL referida al primari.

  

On N1   és el nombre d’espires del primari del transformador i N2 el nombre d’espires del secundari.

Realitzar el balanç de potències corresponent, la potència dissipada pel transistor, serà en aquest cas:

La potència proporcionada per la font d’alimentació:

La potència alterna de sortida lliurada a la càrrega:

El rendiment de potència alterna transmesa a la càrrega respecte a la potència emesa per la font d’alimentació és en aquest cas del 50%.

Comparació entre l’acoblament directe i mitjançant transformador

L’acoblament directe presenta els avantatges de no utilitzar transformador pel que és molt menys voluminós, més lleuger i més econòmic produint a més una millor resposta en freqüència.

L’acoblament per transformador, en canvi, presenta l’avantatge de no circular el component continu per la càrrega pel que té un millor rendiment a més de permetre l’adaptació d’impedàncies.

 

Distorsió en els amplificadors de potència classe A

Teòricament no hauria d’existir distorsió en els amplificadors de potència classe A però a causa de la no linealitat de les característiques del transistor sempre és present una mica de distorsió.

Algunes formes d’evitar la distorsió són utilitzar només la part central de la recta de càrrega, sense arribar a les zones de tall o saturació i introduir una petita resistència d’emissor que, com veurem més endavant, introdueix una realimentació negativa que fa al sistema més estable enfront a canvis de temperatura o de beta.

Gràcies al condensador de pas la recta de càrrega dinàmica segueix sent la mateixa, ja que el condensador deixa passar la component altern pontejant la resistència d’emissor mentre que la recta de càrrega estàtica passa a tenir el valor de RE ja que el condensador no deixa passar el component continu de polarització.

Com podem apreciar, la potència màxima de sortida en alterna es veu reduïda ja que la intensitat de col · lector màxima pic a pic utilitzable sense distorsió és menor per no entrar en les zones de tall i saturació.

 

 

L’amplificador operacional

L’amplificador operacional (AO)

El desenvolupament de la tecnologia integrada que permet fabricar sobre un únic substrat monolític de silici gran quantitat de dispositius va donar lloc a l’aparició d’amplificadors integrats.

Un amplificador operacional és un circuit integrat format per diverses etapes amplificadores que posseeix les següents característiques:

Valors

 

Teòrics

 

Aproximats

Guany de tensió elevada

 

Infinita

 

100.000

Gran resistència d’entrada

 

Infinita

 

1 MW

Baixa resistència de sortida

 

Zero

 

100 W

Gran ample de banda

 

Infinita

 

1 MHz W

 

La tensió de sortida és la diferència de tensió entre les seves entrades amplificada.

La majoria dels circuits amb amplificadors operacionals utilitzen la realimentació negativa, és a dir, la sortida i l’entrada inversora estan unides per algun tipus de impedància.

Per als càlculs amb amplificadors operacionals realimentats es pot suposar que la intensitat per les seves missatge és nul·la i que ambdues entrades tenen la mateixa tensió.

Aquest model és només un concepte idealitzat de l’AO, però que resulta molt pràctic i s’acosta amb força exactitud al seu comportament real.

 

L’amplificador operacional inversor

Utilitzant l’entrada inversora a través d’una resistència i posant l’entrada no inversora a massa s’aplica una realimentació negativa de la sortida a l’entrada inversora.

Com la intensitat que entra en l’amplificador operacional és pràcticament nul·la, la intensitat per R1 i per R2 serà la mateixa.

Com la tensió en Vn és pràcticament la mateixa que en Vp i aquest està posat a massa, la tensió en Vn serà zero.

Aplicant la llei d’Ohm a R1:

Aplicant la llei d’Ohm a R2:

El guany de tensió ve donada per la relació entre la tensió de sortida i la tensió d’entrada:

El guany de tensió depèn solament de la relació entre les resistències i és negativa, és a dir, el senyal de sortida està desfasada 180º del senyal d’entrada, pel que rep el nom d’inversor.

 

L’amplificador operacional no inversor

En aquest cas l’entrada s’aplica a l’entrada no inversora i és l’entrada inversora la qual, a través d’una resistència, es posa a massa estant a més realimentat.

 

Com la intensitat que entra en l’amplificador operacional és pràcticament nul · la, la intensitat per R1 i per R2 serà la mateixa.

Com la tensió en Vn és pràcticament la mateixa que en Vp i la tensió d’entrada està directament aplicada a aquest missatge, la tensió en Vn serà igual a la tensió Vi.

Aplicant la llei d’Ohm a R1:

Aplicant la llei d’Ohm a R2:

Substituint la primera equació en la segona:

El guany de tensió ve donada per la relació entre la tensió de sortida i la tensió d’entrada:

El guany de tensió depèn solament de la relació entre les resistències i és positiva, és a dir, el senyal de sortida està en fase amb el senyal d’entrada, pel que rep el nom de no inversor.

 

Tipus i encapsulats de operacionals

El AO és un amplificador d’extraordinària guany, per exemple el mA741 té un guany de 200.000 i el OP-77 de 12.000.000. Normalment s’alimenten amb tensions simètriques, encara que també existeixen amb polarització simple.

Són molt populars els amplificadors operacionals   m A 741 de Fairchild i LF351 de National.

 

Els terminals de l’ajust d’offset serveixen per ajustar el circuit de manera que la sortida sigui zero en absència de senyal d’entrada.

També existeixen amplificadors operacionals de potència com el LM 675 o el LM 12, els tipus d’encapsulat permeten la dissipació de la calor produïda o la col · locació de dissipadors.

 

Principi de realimentació

Un sistema està realimentat quan comprova constantment el valor del senyal de sortida i el compara amb el senyal d’entrada o consigna per realitzar les accions correctores oportunes.

 

SISTEMA EN LLAÇ OBERT (sense realimentació)

El amplificador debe estar correctamente calibrado y confiamos que a cada señal de entrada corresponda la señal de salida correspondiente.

En el caso de que existan perturbaciones externas que hagan variar la señal de salida el sistema no lo detecta y no reacciona.

Un ejemplo de sistema en lazo abierto es la regulación de intensidad luminosa de una lámpara mediante un potenciómetro. Si a media tarde elegimos un nivel medio de intensidad puede ser suficiente, pero al avanzar la noche el nivel de luz ambiente va disminuyendo sin que la lámpara efectúe variación alguna.

SISTEMA EN LAZO CERRADO (con realimentación)

En un sistema realimentado se mide la señal de salida y se compara con la consigna dada. El error o diferencia encontrado se aplica al amplificador que modificará la señal de salida en el sentido oportuno.

Si la salida se modifica por cualquier razón, se produce una diferencia entre su medida y la señal consigna y se modifica la salida hasta coincidir con el objetivo propuesto.

En el ejemplo anterior colocaríamos una LDR o algún sistema capaz de medir la luz ambiente y comparar este nivel con el ajustado a la entrada. La diferencia dará lugar a una señal de error que aplicada al amplificador alimenta a la lámpara. Si la luz ambiente disminuye aumenta la señal de error y se da más potencia a la lámpara. Si la luz ambiente aumenta e iguala o supera a la señal de consigna el error se anula y la lámpara se apaga.

El esquema siguiente corresponde al control realimentado de un depósito. Se mide el nivel y se compara con la consigna dada, la diferencia da lugar al llenado o vaciado del mismo.

En este caso, el amplificador rellena proporcionalmente a errores positivos y vacía proporcionalmente a errores negativos (mayor nivel que el de consigna).

Si se produce una pérdida (apertura del grifo), también da lugar a una señal de error y el depósito se rellena. Si el grifo se mantiene abierto, se produce una señal continua de error de forma que se igualan las velocidades de vaciado y de rellenado.

Cálculo de la ganancia con realimentación

Teniendo en cuenta que A es la ganancia en lazo abierto (sin realimentación) y que B es la ganancia (normalmente pérdida, menor que la unidad) del lazo de realimentación, tenemos:

  

Como la ganancia total del circuito es por definición la relación entre la salida y la entrada:

Podemos calcular la ganancia en lazo cerrado, ganancia total o función de transferencia:

La ganancia en lazo cerrado será:

La ganancia del amplificador realimentado G es la ganancia del amplificador básico A dividida por el   factor de desensibilidad, 1+AB.

La realimentación negativa se produce cuando AB>0, el denominador será mayor que la unidad y por tanto la ganancia en lazo cerrado será menor que la ganancia en lazo abierto, luego G<A   ya que 1+AB>1.

La realimentación positiva se produce cuando AB<0 y da lugar a circuitos no lineales.

 

Amplificadores realimentados

En los circuitos electrónicos amplificadores, A suele ser un elemento activo, como un transistor funcionando como amplificador o un amplificador operacional, mientras que B suele ser una red pasiva (resistencia, bobina y/o condensador) que toma parte de la señal de salida y la entrega a la entrada.

Para obtener sistemas estables, se realiza la realimentación negativa, restando la señal de realimentación a la señal de entrada. Esto no suele ser inconveniente, ya que en la mayoría de los casos, el amplificador provoca un desfase de 180º en la señal de salida respecto a la de la entrada, es decir, la señal de salida es negativa y basta tomar una parte e introducirla en el circuito de entrada.

Un ejemplo es el amplificador por transistor con realimentación de emisor.

La resistencia de emisor forma parte tanto del circuito de salida como del de entrada.

  • Un aumento de la salida IC hace aumentar la señal de realimentación VRE, que a su vez hace disminuir la entrada IB compensando así el aumento que se había producido en la salida.

  • Una disminución de la salida IC hace disminuir la señal de realimentación VRE, que a su vez hace aumentar la entrada   I B compensando así la disminución que se había producido en la salida.

El sistema es pues más estable, incluso ante variaciones de temperatura que modifiquen beta, ya que cualquier aumento de la salida será compensado con una reducción de la entrada.

Esta mayor estabilidad se consigue, como vimos anteriormente, a costa de una reducción en la ganancia del sistema.

 

Efecto de la realimentación 
en el ancho de banda y en la
distorsión

La realimentación (feedback en inglés) negativa es ampliamente utilizada en el diseño de amplificadores ya que presenta múltiples e importantes beneficios.

Uno de estos beneficios es la estabilización de la ganancia del amplificador frente a variaciones de los dispositivos, temperatura, variaciones de la fuente de alimentación y envejecimiento de los componentes.

Otro beneficio es el de permitir al diseñador ajustar la impedancia de entrada y salida del circuito sin tener que realizar apenas modificaciones.

La disminución de la distorsión y el aumento del ancho de banda hace que la realimentación negativa sea imprescindible en amplificadores de audio y etapas de potencia.

Sin embargo, presenta dos inconvenientes básicos.

En primer lugar, la ganancia del amplificador disminuye en la misma proporción con el aumento de los anteriores beneficios. Este problema se resuelve incrementando el número de etapas amplificadoras para compensar esa pérdida de ganancia con el consiguiente aumento de coste.

El segundo problema está asociado con la realimentación al tener tendencia a la oscilación lo que exige cuidadosos diseños de estos circuitos.

Reducción de la distorsión

La realimentación negativa en amplificadores reduce las características no lineales del amplificador básico y, por consiguiente, reduce su distorsión.

Como ejemplo, en la figura (a) se muestra la característica de transferencia en tensión no-lineal de un amplificador que presenta dos ganancias A1 i A2. La aplicación de una realimentación negativa reduce fuertemente esa distorsión tal como se describe en la figura   (b) .

Más aún, si se verifica que   BA1>>1   i   BA2>>1 (mucho mayores que 1), entonces la ecuación

indica que la distorsión puede ser eliminada al ser independiente de la ganancia del amplificador.

Aumento del ancho de banda

Una de las características más importantes de la realimentación es el aumento del ancho de banda del amplificador que es directamente proporcional al llamado   factor de desensibilización 1+BA .

Por ejemplo, si a un amplificador con una ganancia en lazo abierto A de 1000 y con una frecuencia de corte superior fCS de 200 kHz se le introduce una realimentación tal que 1+AB=20, entonces su frecuencia de corte superior fCS aumenta hasta 4MHz aunque su ganancia en lazo cerrado G disminuye a 50.