CIRCUITOS ANALÓGICOS (SEGUNDO CURSO)

Tema 4Amplificadores Realimentados

Sebastián López y José Fco. LópezInstituto Universitario de Microelectrónica Aplicada (IUMA)

Universidad de Las Palmas de Gran Canaria35017 - Las Palmas de Gran Canaria

Tfno. 928.451247Fax 928.451243

e-mail: seblopez@iuma.ulpgc.es

© LOPEZ

Tema 4 1

OBJETIVOS

La mayoría de los sistemas físicos incorporan algún tipo de realimentación. La teoría de la realimentación negativa fue desarrollada por ingenieros, siendo Harold Black, ingeniero electrónico de la Western Electric Company, quien inventó el primer amplificador realimentado en 1928. Desde entonces, esta técnica ha sido ampliamente utilizada hasta el punto que es imposible pensar en un circuito electrónico sin alguna forma de realimentación, ya sea explícita o implícita.

El diseño de amplificadores con realimentación negativa ofrece múltiples beneficios (reducción de la sensibilidad a variaciones de parámetros, incremento del ancho de banda, reducción de la distorsión no lineal, mejora de las resistencias de entrada y salida...). En este capítulo se presentan las características básicas de la realimentación negativa junto con una clasificación de los distintos tipos de configuraciones de realimentación que nos podemos encontrar. Se desarrolla una metodología de análisis de amplificadores realimentados en la que la teoría de cuadripolos juega un papel muy importante. Duración: 9 horas

Tema 4 2

ÍNDICE

1. Introducción2. Estructura general de la realimentación3. Propiedades de la realimentación negativa

3.1. Insensibilización de la ganancia3.2. Aumento del ancho de banda3.3. Disminución del ruido3.4. Reducción de la distorsión no lineal

4. Topologías básicas de realimentación4.1. Realimentación serie-paralelo: amplificador de

tensión4.2. Realimentación paralelo-paralelo: amplificador de

transresistencia4.3. Realimentación paralelo-serie: amplificador de

corriente4.4. Realimentación serie-serie: amplificador de

transconductancia4.5. Tabla resumen de topologías de realimentación

5. Configuraciones prácticas y efecto de la carga5.1. Realimentación paralelo-paralelo5.2. Realimentación serie-serie5.3. Realimentación serie-paralelo5.4. Realimentación paralelo-serie

6. Metodología de análisis de circuitos realimentados6.1. Caso de estudio: Amplificador no inversor con

operacional

Tema 4 3

FICHA TÉCNICA

1. IntroducciónBeneficios: Estabiliza la ganancia del amplificador contra cambios en los parámetros de los dispositivos; permite modificar las impedancias de entrada y salida del circuito; reduce la distorsión de la forma de onda de la señal que produce; produce un incremento en el ancho de banda de los circuitos.

Desventajas: Reduce la ganancia del circuito; resulta necesario añadir etapas de amplificación adicionales; aumento en el coste del circuito; se producen oscilaciones si no se realiza un diseño correcto.

2. Estructura general de la realimentación

Un sistema realimentado es aquel en el que parte de la salida se reintroduce en la entrada

A

S I S E

S F

S o

SI señal de entradaSo señal de salidaSF señal realimentadaSE señal de error

En el circuito relimentado se distinguen:

Tema 4 4

Red A Normalmente es un amplificador Red Normalmente es una red pasiva Mezclador Mezcla la señal de con la señal de entrada

Se define la ganancia de lazo como el producto de la ganancia de la etapa amplificadora, A, por la ganancia de la red de realimentación, .Los sistemas realimentados se dividen en:

Circuitos con realimentación negativa: SE=SI-SFA > 0

Circuitos con realimentación positiva: SE=SI+SFA < 0

3. Propiedades de la realimentación negativa

3.1. Insensibilización de la ganancia: Si el circuito tiene realimentación, la amplificación total tiene pocas variaciones con la temperatura, las condiciones de operación de los dispositivos activos...

3.2. Aumento del ancho de banda: La función de transferencia del circuito realimentado es igual que la del circuito sin realimentar salvo que ahora la frecuencia de corte es mayor y la ganancia es menor.

Am p lif ic ad o r o r ig in a l

Am p lif ic ad o r r ea lim en tad o

Am ed

A m ed F

w H w H F

dB

w

Tema 4 5

3.3. Disminución del ruido: La realimentación negativa se emplea para aumentar el cociente señal-a-ruido (S/N).

V n

VSV oA 1 VS

A 2

V n

A 1

V o

3.4. Reducción en la distorsión no lineal: La distorsión está causada por los cambios en la pendiente de la característica de transferencia del amplificador básico. La realimentación reduce el efecto de estos cambios en la pendiente, dado que AF es relativamente independiente de A.

Tema 4 6

4. Topologías básicas de realimentación

El sistema básico de realimentación se puede representar de la siguiente forma haciendo uso del modelo de cuadripolo:

R E DA

R E D

RED

DE

MEZ

CLA

RED

DE

MU

ESTR

EO

entrad a s alid a

La red de mezcla representa una conexión, serie o paralelo, entre la salida de la red y la entrada, mientras que la red de muestreo representa el tipo de conexión, serie o paralelo, entre la salida de la red A y la entrada de la red .

4.1. Realimentación serie-paralelo: amplificador de tensión

A

ffV o

V o

V i

V fb

V

z1 1 f= 0 z2 2 f=

Tema 4 7

4.2. Realimentación paralelo-paralelo: amplificador de transresistencia

A

ffV o

V oV i

z1 1 f= z2 2 f=

ifb

i i

i

4.3. Realimentación paralelo-serie: amplificador de corriente

A

ffio

V i

z1 1 f= z2 2 f= 0

i fb

i i

i io

ZL

Tema 4 8

4.4. Realimentación serie-serie: amplificador de transconductancia

A

ffio

V i

z1 1 f= 0 z2 2 f= 0

io

ZL

V fb

V

4.5. Tabla resumen de topologías de realimentación

Entrada serie tensión

Entrada paralelo intensidad

Salida serie intensidad

Amplificador de transconductancia: A=io/Vi ZIF=Zi(1+A) ZOF=Zo(1+A)

Amplificador de corriente: A=io/ii ZIF=Zi/(1+A) ZOF=Zo(1+A)

Salida paralelo tensión

Amplificador de tensión: A=Vo/Vi ZIF=Zi(1+A) ZOF=Zo/(1+A)

Amplificador de corriente: A=Vo/ii ZIF=Zi/(1+A) ZOF=Zo/(1+A)

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5. Configuraciones prácticas y efecto de la carga

En amplificadores realimentados prácticos, la red de realimentación genera una carga en la entrada y en la salida del amplificador básico, y la división entre el amplificador básico y la red de realimentación no es tan obvia. La forma más sencilla de analizar estos circuitos es identificando el amplificador base y la red de realimentación y a continuación aplicar las ecuaciones de realimentación ideales deducidas en el apartado anterior. En general, será necesario incluir el efecto de la carga de la red de realimentación en el amplificador básico. En esta sección se ven métodos para incluir esa carga en los cálculos.

5.1. Realimentación paralelo-paralelo

La representación de dos puertos más conveniente es la de los parámetros [y] porque mediante ellos se simplican los cálculos.

Tema 4 10

V 1 V 2

i1 i2

[y]

Si incluimos el efecto de las redes no ideales:

V oV iiS

y S y 1 1 a

y 12a

Vo

y 21a

Vi

y 2 2 a y L

y 1 1 f

y 12f

Vo

y 2 2 f

y 21f

Vi

|y21a|

>>|y21f| |y12f|>>|y12a|

V oV i

iSy 1 1 a

y 21a

Vi

y 2 2 a

y 1 2 fV o

y 1 1 fy S y 2 2 f y L

donde yi=yS+y11a+y11fyo=yL+y22a+y22f

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5.2. Realimentación serie-serie

La representación de dos puertos más conveniente es la de los parámetros [z] porque mediante ellos se simplican los cálculos.

io

ZL

V S

ZSz1 1 a z2 2 a

z1 2 aio z2 1 ai i

i i

z1 1 f

z1 2 f io

z2 2 f

z2 1 f i i

|y21a|>>|y21f|

|y12f|>>|y12a|

V o

z1 1 a

z1 2 f io

zS

z1 1 f

z2 2 a zL

z2 2 f

z2 1 ai i

V S

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V 1 V 2

i1 i2

[z ]

donde zi=zS+z11a+z11fzo=zL+z22a+z22f

5.3. Realimentación serie-paralelo

La representación de dos puertos más conveniente es la de los parámetros [h] porque mediante ellos se simplican los cálculos.

y L

V S

ZSh1 1 a

h1 2 aV o

i i

V o

h 21a

i i

h2 2 a

h1 1 f

h1 2 fV o

h 21f

i i

h2 2 f

|h21a|>>|h21f| |h12f|>>|h12a|

Tema 4 13

V 1 V 2

i1 i2

[h ]

y L

V S

ZS

i i

V o

h 21a

i i

h2 2 a

h1 2 fV o

h2 2 fh1 1 a

h1 1 f

donde zi=zS+h11a+h11fyo=yL+h22a+h22f

5.4. Realimentación paralelo-serie

La representación de dos puertos más conveniente es la de los parámetros [g] porque mediante ellos se simplican los cálculos.

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V 1 V 2

i1 i2

[g ]

V i

iS

g 12f

i o

y S

zL

g1 1 a

g 12a

i o

g2 2 a

g 21a

Vi

g1 1 f

g 21f

Vi

g2 2 f

io

V i

iS

g1 2 f io

zLg1 1 a

g2 2 a

g2 1 aV ig2 2 fg1 1 fy S

donde yi=yS+g11a+g11fzo=zL+g22a+g22f

Tema 4 15

6. Análisis de circuitos realimentados

6.1. Pasos para análisis por cuadripolos

Paso 1: Identificar A y así como determinar si la realimentación es positiva o negativa

Paso 2: Representar equivalente AC marcando aproximadamente A y

Paso 3: Identificar tipo de muestreo y de mezcla. Así como tipo de cuadripolo asociado (si entre el nodo de entrada/salida y la realimentación hay un elemento activo, transistor o amplificador operacional, será mezcla/muestreo tipo serie. Si no lo hay, será paralelo)

Representar equivalente en AC en caudripolos Calcular los parámetros de Calcular los parámetros de A Separar A y Calcular A, Zi y Zo Calcular AF, ZiF y ZoF

6.2. Caso de estudio: amplificador no inversor con amplificador operacional.

[Será un caso a estudiar en las clases de problemas]

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PROBLEMAS

1. El siguiente circuito representa un amplificador no inversor con amplificador operacional. a) Deducir qué topología de realimentación se trata, si es

realimentación positiva o negativa y diferenciar la red A de la red

b) Representar el equivalente en AC en cuadripolosc) Calcular los parámetros de la red d) Calcular los parámetros de la red Ae) Separar A y f) Calcular la impedancia de entrada, Zi, impedancia de

salida, Zo, y ganancia sin realimentar, Ag) Calcular la ganancia, AF, impedancia de entrada, ZiF, e

impedancia de salida, ZoF, del circuito realimentado

R 1 R 2

V o

V i

Tema 4 17

2. Para el siguiente seguidor de emisor: a) Deducir qué topología de realimentación se trata, si es

realimentación positiva o negativa y diferenciar la red A de la red

b) Representar el equivalente en AC en cuadripolosc) Calcular los parámetros de la red d) Calcular los parámetros de la red Ae) Separar A y f) Calcular la impedancia de entrada, Zi, impedancia de

salida, Zo, y ganancia sin realimentar, Ag) Calcular la ganancia, AF, impedancia de entrada, ZiF, e

impedancia de salida, ZoF, del circuito realimentado

R E

V o

V i

Tema 4 18

3. Para el siguiente emisor común con resistencia emisor-base,a) Deducir qué topología de realimentación se trata, si es

realimentación positiva o negativa y diferenciar la red A de la red

b) Representar el equivalente en AC en cuadripolosc) Calcular los parámetros de la red d) Calcular los parámetros de la red Ae) Separar A y f) Calcular la impedancia de entrada, Zi, impedancia de

salida, Zo, y ganancia sin realimentar, Ag) Calcular la ganancia, AF, impedancia de entrada, ZiF, e

impedancia de salida, ZoF, del circuito realimentado

R E

V o

V i

R F

R C

Tema 4 19

4. Para el siguiente amplificador de dos etapas,a) Deducir qué topología de realimentación se trata, si es

realimentación positiva o negativa y diferenciar la red A de la red

b) Representar el equivalente en AC en cuadripolosc) Calcular los parámetros de la red d) Calcular los parámetros de la red Ae) Separar A y f) Calcular la impedancia de entrada, Zi, impedancia de

salida, Zo, y ganancia sin realimentar, Ag) Calcular la ganancia, AF, impedancia de entrada, ZiF, e

impedancia de salida, ZoF, del circuito realimentado

R E

R C 1

C B

R 1

R 2

R 3

R 4

R C 2

R E2

R E1

C E1

C C 1

V i

V C C

V o

R L

C C 2

C E2

C F R F

T 1 T 2

Tema 4 20

5. Para el siguiente amplificador de dos etapas,a) Deducir qué topología de realimentación se trata, si es

realimentación positiva o negativa y diferenciar la red A de la red

b) Representar el equivalente en AC en cuadripolosc) Calcular los parámetros de la red d) Calcular los parámetros de la red Ae) Separar A y f) Calcular la impedancia de entrada, Zi, impedancia de

salida, Zo, y ganancia sin realimentar, Ag) Calcular la ganancia, AF, impedancia de entrada, ZiF, e

impedancia de salida, ZoF, del circuito realimentado

R C 1

C B

R 1

R 2

R 3

R 4

R C 2

R E2

R E1

C E 1

C C 1

V i

V C C

V oC C 2

C E2

T 1 T 2

R E

R F

Tema 4 21

6. El siguiente circuito es una etapa diferencial seguida de un amplificador en colector común. Suponinedo que la componente DC de Vs es cero, encontrar:a) Corrientes de operación de cada uno de los 3

transistoresb) Mostrar que la tensión DC en Vo es prácticamente 0c) Tipo de realimentaciónd) Calcular AF, ZiF y ZoF

DATOS: VDD=10.7V, RS=10K, I1=1ma, I2=5mA, RC=20K, R1=1K, R2=9K, RL=2K

R C

T 1

V S

R ST 2

I1

R 2

R 1

T 3

I2

R L

V o

V D D V D D

Z iF Z o F

Tema 4 22

7. Para el siguiente circuito, determinar qué tipo de realimentación es, determinar la red A y , determinar la ganancia Af=Io/VI y Af=Vo/VI, y la impedancia de entrada de la red A, Zi, y del circuito realimentado, ZiF.

DATOS: RC1=9K, RC2=5K, RC3=600, RF=640, RE1=100, RE2=100, IC1=0.6mA, IC2=1mA, IC3=4mA, =100

R E1

V i

R C 1

R E2

R F

R C 2R C 3

T 1

T 2

T 3

V o

IC 1

IC 2

IC 3

Tema 4 23

8. Para el siguiente circuito:a) Deducir qué topología de realimentación se trata, si es

realimentación positiva o negativa y diferenciar la red A de la red

b) Representar el equivalente en AC en cuadripolosc) Calcular los parámetros de la red d) Calcular la ganancia AV de la red A cargada con la red

e) Calcular la ganancia AF del circuito realimentadof) Calcular la impedancias de salida Zo y ZoF

DATOS: 1=200, 2=40, R1=8K, R2=4K

V i

V C CV o

R 1

R 2

1

2

A o = 1 0 4

Z o = 6 0 0Z in =

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