Tema 1AAmplificadores
Prof. A. Roldán Aranda
1º Ing. Informática
§ Introducción
§ Equivalente de Thevenin de un amplificador
Ø Definición de impedancia de entrada y salida
§ Respuesta en frecuencia de un amplificador
§ Amplificadores realimentados
Ø Realimentación positiva y negativa
Ø El amplificador diferencial ideal realimentado
Conceptos generales de amplificación
Electrónica de comunicaciones
Tipos de electrónica - I
Electrónica Analógica
Tipos de electrónica - II
Electrónica Digital
Instrumentación Electrónica,
Bioelectrónica...
Tipos de electrónica - III
Electrónica de Dispositivos y
Microelectrónica
A
B
Electrónica de Potencia
Objetivo: Manejar y extraer información presente en una magnitud eléctrica
Señal con informaciónSensor, Antena,etc.
CircuitoAnalógico
üAmplificarüFiltrarüAislarüNormalizarüConversiones (v/v, V/i, i/v, v/f, f/v,....)üCaptura de picoü.....
V
tEJEMPLO:
TratamientoAnalógico
Señal AM(Débil, antena)
VSVE
Altavoz(Señal Fuerte)
ELEMENTO CLAVE EN ELECTRÓNICA
ANALÓGICA:
AMPLIFICADOR ELECTRÓNICO
Introducción
Objetivo: Manejar y extraer información presente en una magnitud eléctrica
volPower Amp
kerout in microphone amplifier loudspeaSound Sound Response Gain Response=
kermicrophone amplifier loudspeaTransferFunction Response Gain Response=
Introducción: Ejemplo Sonido
Tecnología: es el conjunto de habilidades que permiten construir objetos ymáquinas para adaptar el medio y satisfacer nuestras necesidades.
Etimología:Es una palabra de origen griego, τεχνολογος, formada por tekne (τεχνη, "arte, técnica u oficio") y logos (λογος, "conjunto de saberes").
Aunque hay muchas tecnologías muy diferentes entre sí, es frecuente usar el término en singular para referirse a una cualquiera de ellas o al conjunto de todas.
Cuando se lo escribe con mayúscula, TECNOLOGÍA puede referirse:
•Disciplina teórica que estudia los saberes comunes a todas las tecnologías
•Educación tecnológica, la disciplina abocada a la familiarización con las tecnologías más importantes.
DEFINICIÓN: Tecnología
La actividad tecnológica influye en el progreso social y económico, pero también ha producido el deterioro de nuestro entorno (biosfera).
Las tecnologías pueden ser usadas para proteger el medio ambiente y para evitar que las crecientes necesidades provoquen un agotamiento o degradación de los recursos materiales y energéticos de nuestro planeta.
Evitar estos males es tarea no sólo de los gobiernos, sino de todos.
Se requiere para ello una buena enseñanza-aprendizaje de la tecnología en los estudios de enseñanza media o secundaria y más aun en la UNIVERSIDAD y buena difusión de:
• La historia.• Los problemas.• Diagnósticos.• Propuestas de solución en cada momento de la evolución.
Implicaciones de la Tecnología
V
tContinua
V
t
Senoidal
V
tArbitraria
La tensión (VE) o la corriente (IE) de entrada a un amplificador puede tener una forma cualquiera.
REPRESENTACIÓN EN EL TIEMPO
El teorema de Fourier indica: "Cualquier señal eléctrica podemos descomponerla en nivel de continua
más una suma de señales senoidales”
Si podemos determinar como se comporta un amplificador ante continua y senoidales de cualquier frecuencia, podemos determinar como se comporta ante
cualquier señal.
Formas de Onda
Modelo Ideal
Ø Un amplificador se modela por ganancia G en:
ü Tensión: vo=Gv vi
ü Corriente: io=Gi iiü Potencia: Po=GP Pi
vi vo=Gvvi
V
tContinua
V
t
Senoidal
V
tArbitraria
REPRESENTACIÓN EN EL TIEMPO
REPRESENTACIÓN EN FRECUENCIA
(ESPECTRO)
V
fContinuaDC
V
f
Senoidalf1
V
fArbitraria
f1 f2DC
En el mundo de la Electrónica Analógica, las representaciones en frecuencia son mucho más cómodas (p.e. Música, comunicaciones, etc.).
En una primera aproximación supondremos que la entrada al amplificador es senoidal de una frecuencia genérica.
Formas de Onda en t vs. f
FOURIER
IDEAS BÁSICAS DE AMPLIFICACIÓN
AMPLIFICADOR+
-US
+
-UE
¿Que es un amplificador?Dispositivo capaz de elevar el nivel de potencia de una señal.
(En nuestro caso eléctrica: V o I)
Fuente de señal(Información)
Carga
RL
Objetivo ideal
PE = 0 y PS = ∞
La información en la fuente de señal puede estar presente en forma de:
• Tensión (VE)
• Corriente (IE)
A la salida (en la carga), la información se puede entregar (con mayor potenciacon mayor potencia) pero en forma de:
Ø Tensión (VS)
Ø Corriente (IS)
Corriente (IS)Amplificador de Corriente (I/I)Corriente (IE)
Tensión (US)Amplificador de Trans-resistencia (V/I)
Corriente (IE)
Corriente (IS)Amplificador de Trans-conductancia (I/V)
Tensión (UE)
Tensión (US)Amplificador de tensión (V/V)Tensión (UE)
Información de SalidaTipo de AmplificadorInformación de Entrada
TIPOS DE AMPLIFICADORES
TIPOS DE AMPLIFICADORES
UE
+
-
US
+
-
+
A UE
RL
Carga
RE = ∞ RS = 0 A = ganancia de tensión
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
UE
+
-
+
G UE
RL
CargaRE = ∞ RS = ∞G = ganancia de transconductancia
AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANSCONDUCTANCIA
IS
IEAI IE
RL
Carga
RE = 0 RS = ∞AI = ganancia de corriente
AMPLIFICADOR IDEAL DE CORRIENTE
IS
IE
RE = 0 RS = 0 R = ganancia de transresistencia
AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANSRESISTENCIA
US
+
-
+
R IE
RL
Carga
Amplificador ideal de tensión
UE
+
-
US
+
-
+
A UE
RL
Carga
A = ganancia de tensión
Características del amplificador ideal de tensión:
• No consume corriente en la entrada
• La tensión de salida no depende de la carga
• La ganancia de tensión A es constante e independiente de la frecuencia
Calcula la ganancia de TENSIÓN, CORRIENTE y POTENCIA ?
Ejemplo de Amplificador - I
CDvol
Ø Un amplificador HI-FI amplifica un tono sinusoidal de amplitud 1V sobre 600Ω a 100W sobre un altavoz de 8Ω de impedancia (que podemos asumir como resistiva pura).
±1 V pico
100 WPower Amp
8Ω
CD600R
600R 8R
Power AmpCD player
600 Ω
ü Ganancia en Tensión:
40
40100.8.222
,
,
,
2,
==
===⇒=
peaki
peakov
oopeakoo
peakoo
vv
G
PRvR
vP
3000600.5600
18
100.2
,
2
,
, =====
i
peaki
oo
peaki
peakoi
Rv
RP
ii
G
000,120600.2
1100
22,
====
i
peaki
o
i
oP
RV
PPPG
En dB:dB
PPG
i
oP 8.50log10 10 =
=
ivP GGG =NB:
ü Ganancia en Corriente y Potencia:2
2I RP =
Ejemplo de Amplificador - II
¿De dónde sale el 2 ?
Equivalente de Thevenin de un amplificador real
Admitiendo excitación senoidal y aunque el amplificador es un circuito complejo(transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc) podemos caracterizar el amplificador con ayuda de tres elementos:
• Dos impedancias (Impedancia de entrada RE ó RIN y de salida RS ó ROUT)
• Una ganancia (de tensión en vació o de corriente en cortocircuito)
El conjunto de estos parámetros permite obtener un equivalente eléctrico sencillo del amplificador (EQUIVALENTE THEVENIN).
UE
+
-
US
+
-
+
A VERE
RS
Arquitectura Interior de un amplificador real
El amplificador es un circuito complejo (transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc) pero podemos caracterizarlo con ayuda de tres elementos:
• RIN • ROUT• AV
Equivalente de Thevenin de un amplificador real -I
IMPEDANCIA DE ENTRADAIMPEDANCIA DE ENTRADA (RE)
UE
+
-
RE
IE
E
EEIN I
URR ==
Si la entrada es en tensión, nos interesa:
RE = ∞ (La mas grande posible)
Si la entrada es corriente, nos interesa:
IE = 0 (Lo mas pequeña posible)
(VS)O.C
+
-
+A · UE
Tensión de vacío proporcional a la entrada
A = Ganancia de tensión en vacío
Equivalente de Thevenin de un amplificador real -II
Ganancia de TensiGanancia de Tensióón en n en Circuito Abierto (Circuito Abierto (O.CO.C.).)
UE
+
-
RE
IE
SALIDAENTRADA
(US)O.C.
+
-
(IS)S.C
..
.
)()(
CSS
COSS I
UR =
Mide la capacidad de entregar potencia del amplificador.
Si la salida es en tensión, nos interesará RS = 0 (pequeña)
VS
+
-
+
A UE
ZS Representación para un equivalente de salida en tensión
Equivalente de Thevenin del amplificador real -III
IMPEDANCIA DE SALIDAIMPEDANCIA DE SALIDA
Qué nos interesará Si la salida es en CORRIENTE
Respuesta en frecuencia de un amplificador - I
En todo amplificador aparecen elementos reactivos (condensadores, inductancias, etc). Unos introducidos por nosotros para realizar una cierta función (p.e. eliminar continua, filtrar, etc) y otros muchos parásitos (inductancia de cables, capacidades parásitas de uniones PN, etc)
DIAGRAMA DE BODE: la representación de la variación de ganancia de un amplificador con la frecuencia (módulo y argumento)
|A| = MÓDULO = Relación de amplitudes
= ARGUMENTO = Desfase VE
VS
Relación de amplitudes(MÓDULO)
θ
Desfase(ARGUMENTO)
A
10
1
Ganancia
f
90º
0º
Desfase
f
-90º
Normalmente la escala de frecuencias es logarítmica
-2 -1 0 1 2 3 4 [log f]
[f]0.01 0.1 1 10 100 1K 10K
Notar que la frecuencia 0 (DC-continua) en una escala logarítmica está en -∞
DÉCADA
La Ganancia se representa también habitualmente en una escala logarítmica especial (dB = Decibelios)
[ ][ ][ ]ωjAAbsAUUdB
E
S log20log20log20 =⋅=⋅=
Respuesta en frecuencia de un amplificador - II
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
Ingeniero Americano: • (24 December 1905 – 21 June 1982)• Madison, Wisconsin. • Trabajó en los Bell Labs de New York City• He began his career as designer of electronic filters and
equalizers.• In 1929, he was assigned to the Mathematical Research Group.• Sponsored by Bell Laboratories he reentered graduate school, this time at
Columbia University, and he successfully completed his Ph.D. in physics in 1935. • In 1938 he developed his asymptotic phase and magnitude plots
• Bode Plots enabled engineers to investigate time domain stability using the frequency domain concepts of gain and phase margin, the study of which was aided by his now famous plots.
Hendrik Wade Bode
Padre de BODE Padre de BODE PlotsPlots
Hendrik Wade Bode
Lista de PATENTESLista de PATENTES
LogLinearPlot20 Log10, Abs11 1 I , , 0.01, 100
0.1 1 10 100
30
20
10
0
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
In[12]:= LogLinearPlotArg11 1 I , , 0.01, 100
Out[12]=
0.1 1 10 100
20
40
60
80
In[10]:= hfuncs : 11 1 I ;LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100, PlotLabel SequenceForm"Bode Plot for ", hfuncs
Out[11]=
0.1 1 10 100
30
20
10
0
Bode Plot for1
1
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
In[14]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,PlotRange 40, 40,Axes False,Frame True,FrameLabel "RC", "dB",RotateLabel False,GridLines Automatic,PlotStyle AbsoluteThickness3,AspectRatio 0.3,ImageSize 800
Out[14]=
0.01 0.1 1 10 10040
20
0
20
40
RC
dB
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
In[17]:= LogLinearPlotArg11 1 I , , 0.01, 100,PlotRange 90, 0,Axes False,Frame True,FrameLabel "RC", "dB",RotateLabel False,GridLines Automatic,PlotStyle AbsoluteThickness3,AspectRatio 0.3,ImageSize 800
Out[17]=
0.01 0.1 1 10 1000
20
40
60
80
RC
dB
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
In[24]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,PlotRange 40, 40,Axes False,Frame True,FrameLabel "RC", "dB",RotateLabel False,GridLines Automatic,PlotStyle AbsoluteThickness3, RGBColor1, 0, 0,AspectRatio 0.3,ImageSize 800
Out[24]=
0.01 0.1 1 10 10040
20
0
20
40
RC
dB
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
In[28]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,PlotRange 40, 40,Axes False,Frame True,FrameLabel "dB", Amplitud, "RC", Frecuencia,RotateLabel True,GridLines Automatic,PlotStyle AbsoluteThickness3, RGBColor1, 0, 0,AspectRatio 0.3,ImageSize 800
Out[28]=
0.01 0.1 1 10 10040
20
0
20
40
RC
dB
Frecuencia
Ampl
itud
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE
Respuesta en frecuencia de un amplificador
Si la potencia se entrega sobre cargas iguales:
A = Punto donde se mide la ganancia respecto de B
B = Punto referencia del circuito
Definición de ganancia de potencia en decibelios (dB) :
( )B
A10P P
Plog10dBA ⋅=
⋅=
B
A10 V
Vlog202
B
A10 V
Vlog10
⋅=
LOAD
2B
LOAD
2A
10
RV
RV
log10 ⋅=( )B
A10P P
Plog10dBA ⋅=
Definición de ganancia de tensión en dB:
( )
⋅=
B
A10u V
Vlog20dBA
COMENTARIOS COMENTARIOS dBdB
Se cumplen las siguientes relaciones:
Amplificadores realimentados - I
AVE VS
βVR
-
VC=VE -VR
VR = VS · β
VS = VC · AV = ( VE- VR ) · AV
VS = ( VE - VS · β ) · AV è VS = VE ·AV
1 + AV · β
Ganancia del amplificador realimentado
SALID
A
ENTR
AD
ARE-ALIMENTACIÓN
Tipos de realimentación:
VS = VE ·A
1 + A · β
Ganancia de lazo
• Realimentación negativa: A · β > 0
• Realimentación positiva: A · β < 0
Caso particular: A · β = -1 ( ¡ realimentación crítica !)
Ganancia del sistema realimentado infinita: à Aunque se tenga VE = 0, puede haber señal de salida
Amplificadores realimentados - II
AVE VS
βVR
-
VE -VR
Por ejemplo:
A > 0 y β > 0
Si por cualquier perturbación la salida se incrementa:VS ↑è VR ↑ è VE -VR ↓ è VS ↓
La realimentación tiende a compensar las perturbaciones de la salida
Amplificadores realimentados - III
Realimentación negativa: A · β > 0
AVE VS
βVR
-
VE -VR
Por ejemplo:
A > 0 y β < 0
Si por cualquier perturbación la salida se incrementa:VS ↑è VR ↓ è VE -VR ↑ è VS ↑
La realimentación tiende a amplificar las perturbaciones de la salida.
Amplificadores realimentados - IV
Realimentación Positiva: A · β < 0
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
VE
Motor DC
Tacómetro
Amplificadores realimentados - V
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
VE
Motor DC
Tacómetro
Freno
-
Referencia
Error
Amplificadores realimentados - VI
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
Motor DC
Tacómetro
Freno
-
Referencia
VE
Error
La realimentación negativa tiende a compensar las variaciones de la salida.
Amplificadores realimentados - VII
Motor +
cargareferencia Velocidad
de giro
Tacómetro + circuitería
-
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
Este sistema equivale a:
Amplificadores realimentados - VIII
Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0
Motor DC
Tacómetro
Freno
-
Referencia
-1
Amplificadores realimentados - IX
Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0
Motor DC
Tacómetro
Freno
-
Referencia
-1
error ↓
La realimentación positiva tiende a aumentar las variaciones de la salida (se para o se acelera).
Amplificadores realimentados - X
Referencias Utilizadas
Material de ELECTRÓNICA Y AUTOMATISMOS de 2º Curso de Instalaciones Electromecánicas Mineras del Profesor: Javier Ribas Bueno
Material de Signals and Systems del Professor Dr. Andy Harvey de la Heriot Watt University de
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