AMPLIFICADORES RETROALIMENTADOS Y OSCILADORES

I.-Introduccin a los amplificadores retroalimentadosEn que consiste la retroalimentacin de un amplificador?Segn la polaridad relativa de la seal retroalimentada al circuito, es posible tener retroalimentacin positiva o negativa. La retroalimentacin negativa genera una reduccin en la ganancia de voltaje, con la cual se obtienen mejoras en varias caractersticas del circuito. Si la seal de retroalimentacin cuenta con polaridad opuesta a la de entrada, la retroalimentacin es negativa.

Cules son las caractersticas generales?1. Mayor impedancia de entrada.2. Mayor estabilidad de la ganancia de voltaje.3. Mayor respuesta a la frecuencia.4. Menor impedancia de salida.5. Operacin ms lineal.Explique el funcionamiento general del amplificador retroalimentado.Existen cuatro formas bsicas de conectar la seal de realimentacin. Tanto el voltaje como la corriente pueden realimentar la entrada en serie o en paralelo. Especficamente estas cuatro formas son: Realimentacin de voltaje en serie (figura 14.2a). Realimentacin de voltaje en derivacin (figura 14.2b). Realimentacin de corriente en serie (figura 14.2c). Realimentacin de corriente en derivacin (figura 14.2d).En la lista anterior, voltaje se refiere a conectar el voltaje de salida como entrada para la red de realimentacin: corriente se refiere a derivar una parte de la corriente de salida a travs de la red de realimentacin. En serie se refiere a conectar la seal de realimentacin en serie con el voltaje de la seal de entrada: en derivacin se refiere a conectar la seal de realimentacin en derivacin (en paralelo) con una fuente de corriente de entrada. Las conexiones de realimentacin en serie tienden a incrementar la impedancia de entrada, en tanto que las conexiones de realimentacin en derivacin tienden a reducir la impedancia de entrada. La realimentacin de voltaje tiende a reducir la impedancia de salida, mientras que la realimentacin de corriente tiende a incrementar la impedancia de salida. En general, se desean altas impedancias de entrada y bajas impedancias de salida en la mayora de los amplificadores en cascada. Estas dos impedancias se obtienen con la conexin de realimentacin de voltaje en serie. Por consiguiente, primero nos concentraremos en esta conexin de amplificador.

Qu ventajas y desventajas proporciona la retroalimentacin negativa?La realimentacin que se introduce en los circuitos amplificadores es la realimentacin negativa, ya que la positiva no introduce ningn cambio ventajoso en los mismos. En cambio y a pesar de que su principal desventaja es la disminucin de la ganancia, la realimentacin negativa es una tcnica muy empleada en los circuitos amplificadores ya que la misma introduce una serie de cambios en el comportamiento dinmico del amplificador que ante una determinada aplicacin se constituyen en importantes ventajas. Ms an, en la actualidad, la electrnica de los amplificadores lineales, en donde el componente principal es el amplificador operacional, la mayor parte de las soluciones que se adoptan se fundamenta en la utilizacin de la realimentacin negativa. Entre otras de sus desventajas esta la menor impedancia de salida. Otras de sus ventajas son: su mayor impedancia de entrada, mejor respuesta a la frecuencia, reduccin de ruido, entre otras.Cuntos tipos de retroalimentacin negativa existen?Existen cuatro tipos de realimentacin negativa, como ya se mencionaron antes son:1. Voltaje-serie.2. Voltaje-derivacin.3. Corriente-serie.4. Corriente-derivacin.Cules son los parmetros importantes de la retroalimentacin negativa? Ganancia con retroalimentacin. Impedancia de entrada con retroalimentacin. Impedancia de salida con retroalimentacin.II.-Retroalimentacin de voltaje en serie.

La figura muestra la conexin de realimentacin de voltaje en serie con una parte del voltaje realimentada en serie con la seal de entrada con el resultado de que la ganancia total se reduce. Si no hay realimentacin (Vf = 0), la ganancia de voltaje de la etapa del amplificador es.

Si se conecta una seal de realimentacin Vf en serie con la entrada, entonces:

Puesto que: Entonces: de modo que la ganancia de voltaje total con realimentacin es:

La ecuacin muestra que la ganancia con realimentacin es la ganancia del amplificador reducida por el factor (1+A). Se ver que este factor tambin afecta a la impedancia de entrada y salida entre otras caractersticas del circuito.

En la figura se muestra una conexin de realimentacin de voltaje en serie ms detallada. La impedancia de entrada se determina como sigue:

Se ve que la impedancia de entrada con realimentacin en serie es el valor de la impedancia de entrada sin realimentacin, multiplicada por el factor (1+A) y se aplica a ambas configuraciones de voltaje en serie y de corriente en serie.El circuito de realimentacin de voltaje en serie de la proporciona suficientes detalles del circuito para determinar la impedancia de salida con realimentacin. La impedancia de salida se determina aplicando un voltaje V, y el resultado es una corriente I, con Vs en cortocircuito (Vs=0). El voltaje V es, por tanto,

Para Vs =0, Vi=-VfDe modo que: Al reescribir la ecuacin como Podemos resolver la resistencia de salida con realimentacin:

La ecuacin muestra que con realimentacin de voltaje en serie la impedancia de salida se reduce con respecto a la que no tiene realimentacin, por el factor (1+A).Realimentacin de voltaje serie ejercicio prctico.La figura muestra una etapa de un amplificador con FET con realimentacin de voltaje en serie. Una parte de la seal de salida (Vo) se obtiene con una red de realimentacin de resistores R1 y R2. El voltaje de realimentacin Vf se conecta en serie con la seal de la fuente Vs, y su diferencia es la seal de entrada Vi.Sin realimentacin, la ganancia del amplificador es:

Donde RL es la combinacin en paralelo de los resistores:

La red de realimentacin proporciona un factor de realimentacin de:

Con los valores de A y b anteriores en la ecuacin Vemos que la ganancia con realimentacin negativa debe ser:

Si A>>1 tenemos

III.-Retroalimentacin de voltaje en derivacin (paralelo).

La ganancia con realimentacin para la red de la figura es:

En la figura se muestra una conexin de realimentacin de voltaje en derivacin. La impedancia de entrada se determina como:

IV.- Realimentacin de corriente en serie.

La impedancia de salida con realimentacin de corriente en serie se determina aplicando una seal V a la salida con Vs en cortocircuito, y as se obtiene una corriente I, con la relacin de V a I como la impedancia de salida. La figura sig. muestra una conexin ms detallada con realimentacin de corriente en serie. Para la parte de salida de una conexin de realimentacin de corriente en serie mostrada en la figura sig., la impedancia de salida resultante se determina como sigue. Con Vs=0,

Vi=Vf

V.- Realimentacin de corriente en paralelo.

En la figura anterior se muestra la topologa de un amplificador realimentado con muestreo de corriente y mezclado de corriente o paralelo, es decir, se trata de un amplificador realimentado de corriente en paralelo. Similar al desarrollo del anterior apartado, con el amplificador (zi, zo y ai) y la red de realimentacin se construye el amplificador bsico ampliado (Zi, Zo y Ai) tal como se muestra el circuito de la figura sig. que incluye el efecto de la realimentacin a travs de la fuente dependiente io. A continuacin se van a analizar y extraer las ecuaciones de comportamiento del amplificador realimentado de la figura sig.

La impedancia de entrada del amplificador realimentado es Zif=vi /isi y Zsf=RS+Zif. Esta relacin se obtiene resolviendo las siguientes ecuaciones

De forma que

siendo

Luego la impedancia de entrada de un amplificador realimentado con I en paralelo reduce la impedancia de entrada del amplificador bsico en (1+AI).

Ganancia en corriente. Se define Aif=io/isi y AIsf=io/is. Esta relacin se obtiene fcilmente resolviendo las siguientes ecuaciones.

Resultando que

Impedancia de salida. Las impedancias de salida Zof y Zofse definen

Las expresiones de estas impedancias se obtienen resolviendo las siguientes ecuaciones

cuyo resultado es

VI.- Efecto de realimentacin negativa.Voltaje en serieCorriente en serieVoltaje en derivacinCorriente en derivacin

(incrementada)(incrementada)(reducida)(reducida)

(reducida)(incrementada)(reducida) (incrementada)

Cul es la condicin para que un amplificador realimentado negativo sea estable?La estabilidad de un amplificador realimentado como una funcin de la frecuencia, el producto A y el desfasamiento entre la entrada y la salida son los factores determinantes. Una de las tcnicas ms populares de investigar la estabilidad es el mtodo de Nyquist. Se utiliza un diagrama de Nyquist para trazar la grfica de la ganancia y el desfasamiento en funcin de la frecuencia en un plano complejo. En realidad, la grfica de Nyquist combina en una sola grfica las dos grficas de Bode de ganancia contra frecuencia y de desfasamiento contra frecuencia. Se utiliza una grfica de Nyquist para demostrar rpidamente si un amplificador es estable a todas las frecuencias y qu tan estable con respecto a ciertos criterios de ganancia y de desfasamiento.Cmo afectan las frecuencias a un amplificador Realimentado?Estas afectan la estabilidad de un amplificador ya que el aumento o decremento de la frecuencia depende la oscilacin de la seal. Si la frecuencia aumenta se presenta oscilacin y la estabilidad disminuye.Cmo se logra la reduccin en ruido y distorsin no lineal en un amplificador Retroalimentado?La realimentacin de seal tiende a mantener a un nivel bajo la cantidad de la seal de ruido (como el zumbido de una fuente de alimentacin) y la distorsin lineal. El factor (1+ A) reduce tanto el ruido de entrada como la distorsin no lineal resultante, lo que constituye una considerable mejora. Sin embargo, observemos que la ganancia total se reduce (el precio requerido por el desempeo mejorado del circuito). Si se utilizan etapas adicionales para elevar la ganancia total hasta el nivel sin realimentacin, hay que tener en cuenta que la o las etapas adicionales podran introducir tanto ruido de regreso al sistema a medida que ste es reducido por el amplificador realimentado. Este problema se puede subsanar en parte reajustando la ganancia del circuito amplificador realimentado para obtener una ganancia ms alta, al mismo tiempo que se proporciona una seal de ruido reducida.VII.-Osciladores.Cmo se genera y como funciona un oscilador?El uso de realimentacin positiva que d por resultado un amplificador con ganancia en lazo cerrado mayor que 1 y que satisfaga las condiciones de fase har que funcione como un circuito oscilador. ste produce entonces una seal de salida variable. Si dicha seal vara senoidalmente, el circuito se conoce como oscilador senoidal. Si el voltaje de salida alcanza con rapidez un nivel de voltaje y luego se reduce del mismo modo a otro nivel de voltaje, el circuito en general se conoce como oscilador de onda cuadrada o de pulsos.Para entender cmo funciona un circuito realimentado como oscilador, considere el circuito realimentado de la figura. Cuando el interruptor a la entrada del amplificador est abierto, no hay oscilacin. Suponga que tenemos un voltaje ficticio a la entrada del amplificador Vi. ste produce un voltaje de salida Vo=AVi despus de la etapa de amplificador y un voltaje Vf=(AVi) despus de la etapa de realimentacin. Entonces, tenemos un voltaje Vf=(AVi), donde A se conoce como ganancia de lazo. Si los circuitos del amplificador bsico y la red de realimentacin proporcionan una A de magnitud y fase correctas, Vf se puede igualar a Vi. Entonces, cuando el interruptor est cerrado y el voltaje ficticio Vf se elimine, el circuito continuar operando puesto que el voltaje de realimentacin es suficiente para controlar los circuitos del amplificador y de realimentacin, y de esta manera se obtiene un voltaje de entrada apropiado para mantener la operacin del lazo. Si se satisface la condicin, la forma de onda de salida seguir existiendo despus de que el interruptor se cierre.

En realidad no se requiere seal alguna de entrada para hacer funcionar el oscilador. Slo se debe satisfacer la condicin A=1 para tener oscilaciones auto-sostenidas. En la prctica, A se hace mayor que 1 y el sistema comienza a oscilar y el voltaje de ruido se multiplica, el cual siempre est presente. Los factores de saturacin en el circuito prctico proporcionan un valor promedio de A de 1. Las formas de onda resultantes nunca son exactamente senoidales. Sin embargo, cuanto ms se acerca el valor de A a 1, ms senoidal es la forma de onda. La figura sig. muestra cmo la seal de ruido incrementa la condicin de oscilacin en estado permanente.

Otra forma de ver cmo funciona el circuito realimentado como oscilador se obtiene observando el denominador de la ecuacin de realimentacin bsica, Cuando Af = A(1 + A), A= -1 o de magnitud 1 a un ngulo de fase de 180, el denominador llega a ser 0 y la ganancia con realimentacin Af se hace infinita. Por lo tanto, una seal infinitesimal (voltaje de ruido) puede producir un voltaje de salida mensurable y el circuito acta como oscilador, incluso sin una seal de salida.El resto de este captulo est dedicado a los diversos circuitos osciladores que utilizan varios componentes. Se incluyen consideraciones prcticas, de modo que en cada caso analizaremos circuitos viables.VIII.- Oscilador de corrimiento de fase.Un ejemplo de un circuito oscilador que sigue el desarrollo bsico de un circuito realimentado es el oscilador de corrimiento de fase. En la figura 14.20 se muestra una versin idealizada de este circuito. Recuerde que los requerimientos para que haya oscilacin son que la ganancia de lazo A sea mayor que la unidad, y que el desfasamiento en torno a la red de oscilacin sea de 180 (que proporciona realimentacin positiva). En la presente idealizacin consideramos que la red de realimentacin est controlada por una fuente perfecta (impedancia de la fuente cero) y que la salida de la red de realimentacin est conectada a una carga perfecta (impedancia de carga infinita). El caso idealizado permitir desarrollar la teora en que se basa la operacin del oscilador de corrimiento de fase. Posteriormente consideraremos versiones de circuitos prcticos.

Concentrando nuestra atencin en la red de desfasamiento, nos interesa atenuar la red a la frecuencia en que el desfasamiento sea exactamente de 180. Mediante un anlisis de red clsico, vemos que: y el desfasamiento es de 180Para que la ganancia de lazo A sea mayor que la unitaria, la ganancia de la etapa de amplificador debe ser mayor que 1/ o 29:A>29Al considerar la operacin de la red de realimentacin, ingenuamente se podran seleccionar los valores de R y C para proporcionar (a una frecuencia especfica) un desfasamiento de 60 por seccin para tres secciones con el resultado de un desfasamiento de 180, como se deseaba. ste, sin embargo, no es el caso, puesto que cada seccin del RC en la red de realimentacin descarga a la anterior. Lo importante es que el resultado neto del desfasamiento total sea de 180. La frecuencia dada por la ecuacin es aquella a la cual el desfasamiento total es de 180. Si medimos el desfasamiento por seccin de RC, cada seccin no proporcionara el mismo desfasamiento (aunque el desfasamiento total fuera de 180). Si se quisiera obtener un desfasamiento de exactamente 60 por cada una de las tres etapas, entonces se requeriran etapas en emisor seguidor por cada seccin de RC para evitar que cada una sea cargada por el circuito siguiente.Oscilador de corrimiento de fase con FET.

En la figura14.21a se muestra una versin prctica de un circuito oscilador de corrimiento de fase. El circuito trazado muestra con claridad el amplificador y la red de realimentacin. La etapa del amplificador se autopolariza por un resistor RS en la fuente con un capacitor de puenteo y un resistor de polarizacin de drenaje RD. Los parmetros de dispositivo de FET de inters son gm y rd. A partir de la teora del amplificador con FET, la magnitud de ganancia del amplificador se calcula a partir de|A|=gmRLDonde RL en este caso es la resistencia en paralelo de RD y rd.

Supondremos como una muy buena aproximacin que la impedancia de entrada de la etapa del amplificador con FET es infinita. Esta suposicin es vlida en tanto la frecuencia de operacin del oscilador se mantenga suficientemente baja de modo que las impedancias capacitivas del FET se puedan ignorar. La impedancia de salida del amplificador dada por RL tambin debe ser baja comparada con la impedancia vista hacia la red de realimentacin a fin de que no ocurra atenuacin debido a la carga. En la prctica, estas consideraciones no siempre se pueden pasar por alto y la ganancia de la etapa del amplificador se selecciona un poco ms grande que el factor requerido de 29 para garantizar la accin del oscilador.Oscilador de corrimiento de fase con transistorSi se utiliza un transistor como el elemento activo de la etapa del amplificador, la salida de la red de realimentacin se carga de manera apreciable por la resistencia de entrada relativamente baja (hie) del transistor. Desde luego, se podra utilizar una etapa de entrada en emisor-seguidor secundada por una etapa de amplificador en emisor comn. Sin embargo, si se desea una sola etapa de transistor, es ms adecuado utilizar realimentacin de voltaje en derivacin (como se muestra en la figura 14.21b). En esta conexin, la seal de realimentacin se acopla mediante el resistor de realimentacin Ren serie con la resistencia (Ri) de entrada de la etapa del amplificador.El anlisis del circuito de ca proporciona la siguiente ecuacin para la frecuencia de oscilador resultante:

Para que la ganancia de lazo sea mayor que la unitaria, el requerimiento en cuanto a la ganancia de corriente del transistor parece que debe ser:

Oscilador de corrimiento de fase con circuito integradoAl tener cada vez ms demanda, los circuitos integrados se han adaptado para que operen en circuitos osciladores. Slo se tiene que adquirir un amplificador operacional para obtener un circuito amplificador de ganancia estabilizada e incorporar alguna forma de realimentacin de seal para obtener un circuito oscilador. Por ejemplo, en la figura 14.22 se muestra un oscilador de corrimiento de fase. La salida del amplificador operacional se alimenta a una red RC de tres etapas, la cual proporciona el desfasamiento requerido de 180 (en un factor de atenuacin de 1>29). Si el amplificador operacional proporciona una ganancia (establecida por los resistores Ri y Rf) de ms de 29, se obtiene una ganancia de lazo mayor que la unidad y el circuito acta como oscilador.

IX.- Oscilador de puente wien.Un circuito oscilador prctico utiliza un amplificador operacional y un circuito puente RC, con frecuencia de oscilacin establecida por los componentes R y C. La figura 14.23 muestra una versin bsica del circuito oscilador de puente de Wien. Observe la conexin de puente bsica. Los resistores R1 y R2 y los capacitores C1 y C2 forman los elementos de ajuste de frecuencia, y los resistores R3 y R4 forman parte de la trayectoria de realimentacin. La salida del amplificador operacional est conectada como puente de entrada en los puntos a y c. La salida de circuito en puente en los puntos b y d es la entrada al amplificador operacional.Si ignoramos los efectos de carga de la entrada del amplificador operacional y las impedancias de salida, el anlisis del circuito en puente conduce a y

Si, en particular, los valores son R1=R2=R y C1= C2 =C, la frecuencia del oscilador es y Por tanto, una relacin de R3 a R4 mayor que 2 proporcionar una ganancia de lazo para que el circuito oscile a la frecuencia calculada.

X.- Oscilador de colppits.Oscilador Colpitts con FET En la figura 14.26 se muestra una versin prctica de un oscilador Colpitts con FET. El circuito es bsicamente igual al de la figura 14.25 con la adicin de los componentes requeridos para la polarizacin de cd del amplificador con FET. Podemos encontrar que la frecuencia del oscilador se calcula como donde

Oscilador Colpitts con transistor. Podemos hacer un circuito oscilador Colpitts con transistor como se muestra en la figura 14.27. La ecuacin da la frecuencia de oscilacin del circuito.Oscilador Colpitts de circuito integrado. En la figura 14.28 se muestra un circuito oscilador Colpitts con amplificador operacional. De nueva cuenta, el amplificador operacional proporciona la amplificacin bsica requerida y una red de realimentacin de LC de una configuracin Colpitts establece la frecuencia del oscilador. La ecuacin da la frecuencia del oscilador.

XI.- Oscilador hartley.Oscilador Hartley. Con FET En la figura 14.29 se muestra un oscilador Hartley con FET. El circuito se traza de modo que la red de realimentacin se ajuste a la forma mostrada en el circuito resonante bsico. Observe, sin embargo, que los inductores L1 y L2 tienen un acoplamiento mutuo M, el cual debe tomarse en cuenta al determinar la inductancia equivalente para el circuito tanque resonante. La frecuencia de oscilacin del circuito la da aproximadamente. con Oscilador Hartley con transistor. La figura 14.30 muestra un circuito oscilador Hartley. El circuito opera a una frecuencia dada por la ecuacin

Bibliografa

http://www.digitronika.com.ar/0367/teoria/cap7.pdfhttp://www.ie.itcr.ac.cr/marin/lic/el3212/Libro/Tema4.pdf