Amplificadores

Introducción a los amplificadores

Los amplificadores son dispositivos o circuitos electrónicos que se utilizan para aumentar la magnitud de la señal aplicada a su entrada.

Amplificador es el término genérico utilizado para describir un circuito que produce una versión aumentada de su señal de entrada. Sin embargo, no todos los circuitos amplificadores son iguales, ya que se clasifican de acuerdo con sus configuraciones de circuito y modos de operación.

En «Electrónica», los pequeños amplificadores de señal son dispositivos de uso común, ya que tienen la capacidad de amplificar una señal de entrada relativamente pequeña, por ejemplo, de un sensor como un fotodispositivo, en una señal de salida mucho más grande para impulsar un relé, lámpara o altavoz, por ejemplo.

Hay muchas formas de circuitos electrónicos clasificados como amplificadores, desde amplificadores operacionales y amplificadores de pequeña señal hasta grandes amplificadores de señal y potencia. La clasificación de un amplificador depende del tamaño de la señal, grande o pequeña, su configuración física y cómo procesa la señal de entrada, es decir, la relación entre la señal de entrada y la corriente que fluye en la carga.

El tipo o clasificación de un amplificador se da en la siguiente tabla.

Clasificación de amplificador de señal

Tipo de señalTipo deconfiguraciónClasificaciónFrecuencia de operación
Señal pequeñaEmisor común Amplificador de clase ACorriente continua (CC)
Señal largaBase común Amplificador de clase BFrecuencias de audio (AF)
 Colector común Amplificador clase ABRadiofrecuencias (RF)
  Amplificador de clase CVHF, UHF y SHFFrecuencias 

Los amplificadores se pueden considerar como una simple caja o bloque que contiene el dispositivo amplificador, como un transistor bipolar, un transistor de efecto de campo o un amplificador operacional, que tiene dos terminales de entrada y dos terminales de salida común  (con conexión a tierra). Siendo la señal de salida mucho mayor que la de la señal de entrada, ya que ha sido “amplificada”.

Un amplificador de señal ideal tendrá tres propiedades principales: Resistencia de entrada o (RIN), Resistencia de salida o (ROUT) y, por supuesto, amplificación conocida comúnmente como Ganancia o (A). No importa lo complicado que sea un circuito amplificador, todavía se puede usar un modelo de amplificador general para mostrar la relación de estas tres propiedades.

Modelo de amplificador ideal

introduction to the amplifier- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

La diferencia amplificada entre las señales de entrada y salida se conoce como la ganancia del amplificador. La ganancia es básicamente una medida de cuánto «amplifica» un amplificador la señal de entrada. Por ejemplo, si tenemos una señal de entrada de 1 voltio y una salida de 50 voltios, entonces la ganancia del amplificador sería “50”. En otras palabras, la señal de entrada se ha incrementado en un factor de 50. Este incremento se denomina ganancia.

La ganancia del amplificador es simplemente la relación de la salida dividida por la entrada. La ganancia no tiene unidades como proporción, pero en Electrónica se le suele dar el símbolo «A», para amplificación. Entonces, la ganancia de un amplificador se calcula simplemente como la «señal de salida dividida por la señal de entrada».

Ganancia del amplificador

Se puede decir que la introducción a la ganancia del amplificador es la relación que existe entre la señal medida en la salida y la señal medida en la entrada. Hay tres tipos diferentes de ganancia de amplificador que se pueden medir y estos son: ganancia de voltaje ( Av ), ganancia de corriente ( Ai ) y ganancia de potencia ( Ap ) dependiendo de la cantidad que se esté midiendo con ejemplos de estos diferentes tipos de ganancias a continuación:

Ganancia del amplificador de la señal de entrada

amplifier block- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Ganancia amplificada del voltaje 

Amplifier Voltage Gain- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Ganancia amplificada de la corriente

Amplifier Current Gain- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Ganancia amplificada de la potencia

Amplifier Power Gain- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Tenga en cuenta que para la ganancia de potencia también puede dividir la potencia obtenida en la salida con la potencia obtenida en la entrada. Además, al calcular la ganancia de un amplificador, los subíndices v, i y p se utilizan para indicar el tipo de ganancia de señal que se está utilizando.

La ganancia de potencia (AP) o nivel de potencia del amplificador también pueden expresarse en decibel, (dB). El Bel (B) es una unidad logarítmica (base 10) de medida que no tiene unidades. Dado que Bel es una unidad de medida demasiado grande, se le antepone deci, lo que lo convierte en Decibel, en lugar de que un decibel sea una décima (1/10) de un Bel. Para calcular la ganancia del amplificador en decibel o dB, podemos usar las siguientes expresiones.

  •   Ganancia de voltaje en dB: av  = 20 * log (Av)
  •   Ganancia de corriente en dB: ai  = 20 * log (Ai)
  •   Ganancia de potencia en dB: ap  = 10 * log (Ap)

Tenga en cuenta que la ganancia de potencia de CC de un amplificador es igual a diez veces el logaritmo común de la relación de salida a entrada, mientras que las ganancias de voltaje y corriente son 20 veces el logaritmo común de la relación. Sin embargo, tenga en cuenta que 20 dB no es el doble de potencia que 10 dB debido a la escala logarítmica.

Además, un valor positivo de dB representa una ganancia y un valor negativo de dB representa una pérdida dentro del amplificador. Por ejemplo, una ganancia del amplificador de + 3dB indica que la señal de salida del amplificador se ha «duplicado», (x2) mientras que una ganancia del amplificador de -3dB indica que la señal se ha «reducido a la mitad», (x0,5) o, en otras palabras, una pérdida. 

El punto de -3dB de un amplificador se denomina punto de media potencia, que es -3dB por debajo del máximo, tomando 0dB como el valor de salida máximo.

Ejemplo de amplificador No.1

Determine el voltaje, la corriente y la ganancia de potencia de un amplificador que tiene una señal de entrada de 1 mA a 10 mV y una señal de salida correspondiente de 10 mA a 1 V. Además, exprese las tres ganancias en decibelios, (dB).

Las diversas ganancias del amplificador: 

amplifier gain- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Ganancias del amplificador expresadas en decibelios (dB):

amplifier gain in decibels- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Entonces el amplificador tiene una ganancia de voltaje, (Av) de 100, una ganancia de corriente, (Ai) de 10 y una ganancia de potencia, (Ap) de 1,000.

Generalmente, los amplificadores se pueden subdividir en dos tipos distintos según su potencia o ganancia de voltaje. Un tipo se llama amplificador de señal pequeña que incluye preamplificadores, amplificadores de instrumentación, etc. Los amplificadores de señal pequeña están diseñados para amplificar niveles de voltaje de señal muy pequeños de solo unos pocos microvoltios (μV) de sensores o señales de audio.

Los otros tipos se denominan Amplificadores de señal grande , como amplificadores de potencia de audio o amplificadores de conmutación de potencia. Los amplificadores de señal grandes están diseñados para amplificar señales de voltaje de entrada grandes o conmutar corrientes de carga pesada como lo haría con los altavoces de conducción.

Amplificadores de potencia

La señal pequeña amplificada es generalmente conocida como un amplificador de “voltaje” porque generalmente convierten un voltaje de entrada pequeño en un voltaje de salida mucho mayor. A veces, se requiere un circuito amplificador para impulsar un motor o alimentar un altavoz y para este tipo de aplicaciones donde se necesitan altas corrientes de conmutación, se requieren amplificadores de potencia.

Como sugiere su nombre, el trabajo principal de un «amplificador de potencia» (también conocido como un amplificador de señal grande), es entregar energía a la carga, y como sabemos desde arriba, es el producto del voltaje y la corriente aplicados a la carga con la potencia de la señal de salida siendo mayor que la potencia de la señal de entrada. En otras palabras, un amplificador de potencia amplifica la potencia de la señal de entrada, razón por la cual estos tipos de circuitos amplificadores se utilizan en las etapas de salida del amplificador de audio para controlar los altavoces.

El amplificador de potencia funciona según el principio básico de convertir la potencia de CC extraída de la fuente de alimentación en una señal de voltaje de CA entregada a la carga. Aunque la amplificación es alta, la eficiencia de la conversión de la entrada de la fuente de alimentación de CC a la salida de la señal de voltaje de CA suele ser baja.

El amplificador perfecto o ideal nos daría un índice de eficiencia del 100% o al menos la potencia «IN» sería igual a la potencia «OUT». Sin embargo, en realidad, esto nunca puede suceder ya que parte de la energía se pierde en forma de calor y, además, el amplificador mismo consume energía durante el proceso de amplificación. Entonces, la eficiencia de un amplificador se da como:

Eficiencia del amplificador

Amplifier Efficiency- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Amplificador ideal

Podemos especificar las características de un amplificador ideal de nuestra discusión anterior con respecto a su ganancia de voltaje, es decir:

  • La ganancia de los amplificadores, ( A ) debe permanecer constante para variar valores de la señal de entrada.
  • La ganancia no se ve afectada por la frecuencia. Las señales de todas las frecuencias deben amplificarse exactamente en la misma cantidad.
  • La ganancia de los amplificadores no debe agregar ruido a la señal de salida. Debe eliminar cualquier ruido que ya exista en la señal de entrada.
  • La ganancia de los amplificadores no debe verse afectada por cambios de temperatura, lo que proporciona una buena estabilidad de temperatura.
  • La ganancia del amplificador debe permanecer estable durante largos períodos de tiempo.

Clases de amplificadores electrónicos

La clasificación de un amplificador como amplificador de voltaje o de potencia se realiza comparando las características de las señales de entrada y salida midiendo la cantidad de tiempo en relación con la señal de entrada que la corriente fluye en el circuito de salida.

Vimos en el tutorial del Emisor Transistor Común que para que el transistor funcione dentro de su “Región Activa” se requiere alguna forma de “Biasing de Base”. Este pequeño voltaje de polarización base agregado a la señal de entrada permitió que el transistor reprodujera la forma de onda de entrada completa en su salida sin pérdida de señal.

Sin embargo, al alterar la posición de este voltaje de polarización de base, es posible operar un amplificador en un modo de amplificación diferente al de la reproducción completa de la forma de onda. Con la introducción al amplificador de un voltaje de polarización base, se pueden obtener diferentes rangos de operación y modos de operación que se categorizan según su clasificación. Estos diversos modos de funcionamiento se conocen mejor como Clases de amplificador.

Los amplificadores de potencia de audio se clasifican en orden alfabético según la configuración de sus circuitos y el modo de funcionamiento. Los amplificadores se designan por diferentes clases de operación, como clase «A», clase «B», clase «C», clase «AB», etc. Estas diferentes clases de amplificadores van desde una salida casi lineal pero con baja eficiencia a una no- salida lineal pero con una alta eficiencia.

Ninguna clase de operación es «mejor» o «peor» que cualquier otra clase y el tipo de operación está determinado por el uso del circuito amplificador. Existen eficiencias de conversión máximas típicas para los diversos tipos o clases de amplificador, siendo el más utilizado:

  • Amplificador de clase A: tiene una baja eficiencia de menos del 40% pero una buena reproducción y linealidad de la señal.
  • Amplificador de clase B: es dos veces más eficiente que los amplificadores de clase A con una eficiencia teórica máxima de aproximadamente el 70% porque el dispositivo amplificador solo conduce (y usa energía) para la mitad de la señal de entrada.
  • Amplificador de clase AB: tiene una clasificación de eficiencia entre la clase A y la clase B, pero una reproducción de señal más pobre que los amplificadores de clase A.
  • Amplificador de clase C: es la clase de amplificador más eficiente, pero la distorsión es muy alta ya que solo se amplifica una pequeña parte de la señal de entrada, por lo que la señal de salida se parece muy poco a la señal de entrada. Los amplificadores de clase C tienen la peor reproducción de señal.

Funcionamiento de amplificador de clase A

El amplificador de clase A funciona donde toda la forma de onda de la señal de entrada se reproduce fielmente en el terminal de salida del amplificador, ya que el transistor está perfectamente polarizado dentro de su región activa. Esto significa que el transistor de conmutación nunca se conduce a sus regiones de corte o saturación. El resultado es que la señal de entrada de CA está perfectamente «centrada» entre los límites de señal superior e inferior del amplificador, como se muestra a continuación:

Onda de salida del amplificador clase A

class-A amplifier waveform- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Una configuración de amplificador de clase A utiliza el mismo transistor de conmutación para ambas mitades de la forma de onda de salida y, debido a su disposición de polarización central, el transistor de salida siempre tiene una corriente de polarización de CC constante, (ICQ) fluyendo a través de él, incluso si no hay señal de entrada presente. En otras palabras, los transistores de salida nunca se apagan y están en un estado permanente de inactividad.

Esto da como resultado que el tipo de operación de Clase A sea algo ineficaz, ya que su conversión de la potencia de suministro de CC a la potencia de señal de CA entregada a la carga suele ser muy baja.

Debido a este punto de polarización centrado, el transistor de salida de un amplificador de clase A puede calentarse mucho, incluso cuando no hay una señal de entrada presente, por lo que se requiere alguna forma de disipación de calor. La corriente de polarización de CC que fluye a través del colector del transistor (ICQ) es igual a la corriente que fluye a través de la carga del colector. Por lo tanto, un amplificador de clase A es muy ineficiente ya que la mayor parte de esta potencia de CC se convierte en calor.

Funcionamiento del amplificador de clase B

A diferencia del modo de funcionamiento del amplificador de clase A anterior que utiliza un solo transistor para su etapa de potencia de salida, el amplificador de clase B utiliza dos transistores complementarios (un NPN y un PNP o un NMOS y un PMOS) para amplificar cada mitad de la forma de onda de salida.

Un transistor conduce solo para la mitad de la forma de onda de la señal, mientras que el otro conduce para la otra mitad o la mitad opuesta de la forma de onda de la señal. Esto significa que cada transistor pasa la mitad de su tiempo en la región activa y la mitad de su tiempo en la región de corte, amplificando así solo el 50% de la señal de entrada.

La operación de clase B no tiene voltaje de polarización de CC directo a diferencia del amplificador de clase A, pero en cambio, el transistor solo conduce cuando la señal de entrada es mayor que el voltaje de base-emisor (VBE) y para los transistores de silicio, esto es aproximadamente 0.7v. Por lo tanto, con una señal de entrada cero, hay una salida cero. Como solo la mitad de la señal de entrada se presenta en la salida del amplificador, esto mejora la eficiencia del amplificador con respecto a la configuración anterior de Clase A, como se muestra a continuación:

Onda de salida del amplificador de clase B

class-B amplifier waveform- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

En un amplificador de clase B, no se usa voltaje de CC para polarizar los transistores, por lo que para que los transistores de salida comiencen a conducir cada mitad de la forma de onda, tanto positiva como negativa, necesitan el base-emisor voltaje VBE ser mayor que la caída de voltaje directa de 0.7v requerida para que un transistor bipolar estándar comience a conducir.

Por lo tanto, la parte inferior de la forma de onda de salida que está por debajo de esta ventana de 0,7 v no se reproducirá con precisión. Esto da como resultado un área distorsionada de la forma de onda de salida cuando un transistor se apaga esperando que el otro se vuelva a encender una vez que VBE > 0.7V. El resultado es que hay una pequeña parte de la forma de onda de salida en el punto de cruce de voltaje cero que se distorsionara. Este tipo de distorsión se denomina Crossover Distortion y se analiza más adelante en esta sección.

Funcionamiento de un amplificador Clase AB 

La Clase AB de un amplificador es un compromiso entre las configuraciones de clase B por encima de la clase A y. Si bien la operación de Clase AB todavía usa dos transistores complementarios en su etapa de salida, se aplica un voltaje de polarización muy pequeño a la base de cada transistor para polarizarlos cerca de su región de corte cuando no hay señal de entrada presente.

Una señal de entrada hará que el transistor funcione normalmente dentro de su región activa, eliminando cualquier distorsión de cruce que siempre está presente en la configuración de clase B. Una pequeña corriente de colector de polarización (ICQ) fluirá a través del transistor cuando no haya una señal de entrada presente, pero generalmente es mucho menor que la de la configuración del amplificador de Clase A.

Por lo tanto, cada transistor está conduciendo, «ENCENDIDO» durante un poco más de medio ciclo de la forma de onda de entrada. La pequeña polarización de la configuración del amplificador de clase AB mejora tanto la eficiencia como la linealidad del circuito del amplificador en comparación con una configuración pura de clase A anterior.

Onda de salida del amplificador de clase AB

class AB amplifier waveform- Amplificadores - ClasesParaTodos.org

Al diseñar circuitos amplificadores, la clase de operación de un amplificador es muy importante ya que determina la cantidad de polarización del transistor requerida para su operación, así como la amplitud máxima de la señal de entrada.

La clasificación del amplificador tiene en cuenta la parte de la señal de entrada en la que conduce el transistor de salida y determina tanto la eficiencia como la cantidad de energía que el transistor de conmutación consume y disipa en forma de calor desperdiciado. Aquí podemos hacer una comparación entre los tipos más comunes de clasificaciones de amplificadores en la siguiente tabla.

Clases de amplificador de potencia

ClaseABCAB
conducción delÁngulo 360o180oMenos de 90o180 a 360o
Posición delpunto Q central dela línea de cargaExactamente en elejeDebajo del ejeXEntre el ejeX y lalínea de carga central
Eficiencia generalDeficiente25 a 30%Mejor70 a 80%Mayorque 80%Mejor que Apero menor que B50 a 70%
Distorsión deseñalNinguna si está correctamentesesgadaen el eje Xpunto de cruce Grandes  cantidades Pequeñas cantidades

Los amplificadores mal diseñados, especialmente los de clase «A», también pueden requerir transistores de potencia más grandes, disipadores de calor más costosos, ventiladores de refrigeración o incluso un aumento en el tamaño de la fuente de alimentación necesaria para entregar la potencia extra desperdiciada requerida por el amplificador. La energía convertida en calor a partir de transistores, resistencias o cualquier otro componente, hace que cualquier circuito electrónico sea ineficiente y resultará en una falla prematura del dispositivo.

Entonces, ¿por qué usar un amplificador clase A si su eficiencia es inferior al 40% en comparación con un amplificador clase B que tiene una calificación de eficiencia más alta de más del 70%? Básicamente, un amplificador clase A da una salida mucho más lineal, lo que significa que tiene linealidad sobre una respuesta de frecuencia mayor, incluso si consume grandes cantidades de potencia de CC.

En este tutorial de Introducción a los amplificadores, hemos visto que existen diferentes tipos de circuitos amplificadores, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. En el siguiente tutorial sobre amplificadores, veremos el tipo de circuito amplificador de transistor más comúnmente conectado, el amplificador de emisor común. La mayoría de los amplificadores de transistores son del tipo Common Emitter o CE debido a sus grandes ganancias en voltaje, corriente y potencia, así como a sus excelentes características de entrada/salida.

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