Distorsión del amplificador

Para que un amplificador de señal funcione correctamente sin ninguna distorsión en la señal de salida, requiere alguna forma de polarización de CC en su terminal Base o Puerta. Se requiere una polarización de CC para que el amplificador pueda amplificar la señal de entrada durante todo su ciclo con el «punto Q» de polarización establecido lo más cerca posible de la mitad de la línea de carga.

La configuración del punto Q de polarización nos dará una configuración de amplificación de tipo «Clase-A», siendo la configuración más común el «Emisor común» para transistores bipolares o la configuración de «Fuente común» para transistores FET unipolares.

La ganancia de potencia, voltaje o corriente (amplificación) proporcionada por el amplificador es la relación entre el valor de salida pico y su valor de entrada pico (Salida ÷ Entrada).

Sin embargo, si diseñamos incorrectamente nuestro circuito amplificador y configuramos el punto Q de polarización en la posición incorrecta en la línea de carga o aplicamos una señal de entrada demasiado grande al amplificador, la señal de salida resultante puede no ser una reproducción exacta de la señal de entrada original de la onda. En otras palabras, el amplificador sufrirá lo que comúnmente se denomina Distorsión del amplificador. Considere el circuito amplificador de emisor común a continuación:

Amplificador de emisor común 

La distorsión de la forma de onda de la señal de salida puede ocurrir porque: 

• Es posible que la amplificación no se lleve a cabo durante todo el ciclo de la señal debido a niveles de polarización incorrectos.
• La señal de entrada puede ser demasiado grande, lo que hace que los transistores de los amplificadores estén limitados por la tensión de alimentación.
• Es posible que la amplificación no sea una señal lineal en todo el rango de frecuencia de las entradas.

Esto significa que durante el proceso de amplificación de la forma de onda de la señal, de alguna forma de distorsión que ha producido el amplificador.

Los amplificadores están diseñados básicamente para amplificar señales de entrada de voltaje pequeño en señales de salida mucho más grandes y esto significa que la señal de salida cambia constantemente por algún factor o valor, llamado ganancia, multiplicado por la señal de entrada para todas las frecuencias de entrada. Vimos anteriormente que este factor de multiplicación se llama el valor Beta, β del transistor.

Los circuitos de transistor de emisor común o incluso de fuente común funcionan bien para señales de entrada de CA pequeñas, pero tienen una gran desventaja: la posición calculada del punto Q de polarización de un amplificador bipolar depende del mismo valor Beta para todos los transistores. Sin embargo, este valor Beta variará de transistores del mismo tipo, en otras palabras, el punto Q de un transistor no es necesariamente el mismo que el punto Q de otro transistor del mismo tipo debido a las tolerancias de fabricación inherentes.

Entonces se produce la distorsión del amplificador porque el amplificador no es lineal y un tipo de distorsión del amplificador llamada Distorsión de amplitud se producirá. La elección cuidadosa del transistor y los componentes de polarización puede ayudar a minimizar el efecto de la distorsión del amplificador.

Distorsión de la amplitud

La distorsión de la amplitud se produce cuando los valores máximos de la forma de onda de frecuencia se atenúan y provocan una distorsión debido a un cambio en el punto Q y es posible que la amplificación no se lleve a cabo durante todo el ciclo de la señal. Esta no linealidad de la forma de onda de salida se muestra a continuación:

Distorsión de la amplitud debido a polarización incorrecta

Si el punto de polarización de los transistores es correcto, la forma de onda de salida debe tener la misma forma que la forma de onda de entrada, solo que más grande (amplificada). Si hay un sesgo insuficiente y el punto Q se encuentra en la mitad inferior de la línea de carga, entonces la forma de onda de salida se verá como la de la derecha con la mitad negativa de la forma de onda de salida “cortada” o recortada. Del mismo modo, si hay demasiado sesgo y el punto Q se encuentra en la mitad superior de la línea de carga, entonces la forma de onda de salida se verá como la de la izquierda con la mitad positiva “cortada” o recortada.

Además, cuando el voltaje de polarización se establece demasiado pequeño, durante la mitad negativa del ciclo, el transistor no conduce completamente, por lo que la salida se establece mediante el voltaje de suministro. Cuando la polarización es demasiado grande, la mitad positiva del ciclo satura el transistor y la salida cae casi a cero.

Incluso con el nivel de voltaje de polarización correcto establecido, es posible que la forma de onda de salida se distorsione debido a que la ganancia del circuito amplifica una gran señal de entrada. La señal de voltaje de salida se recorta en las partes positiva y negativa de la forma de onda y ya no se parece a una onda sinusoidal, incluso cuando la polarización es correcta. Este tipo de distorsión de amplitud se llama Clipping y es el resultado de «sobrecargar» la entrada del amplificador.

Cuando la amplitud de entrada se vuelve demasiado grande, el recorte se vuelve sustancial y fuerza a la señal de forma de onda de salida a exceder los rieles de voltaje de la fuente de alimentación con las partes pico (+ mitad) y valle (- mitad) de la señal de forma de onda aplanándose o » Recortandose ”. Para evitar esto, el valor máximo de la señal de entrada debe limitarse a un nivel que evite este efecto de recorte como se muestra arriba.

La distorsión de amplitud debido al recorte

La distorsión de amplitud reduce en gran medida la eficiencia de un circuito amplificador. Estas «puntas planas» de la forma de onda de salida distorsionada, ya sea debido a una polarización incorrecta o sobreexcitación de la entrada, no contribuyen en nada a la fuerza de la señal de salida a la frecuencia deseada.

Habiendo dicho todo eso, algunos guitarristas y bandas de rock bien conocidos prefieren que su sonido distintivo esté muy distorsionado o «saturado» al recortar fuertemente la forma de onda de salida a los rieles de suministro de energía + y -. Además, aumentar la cantidad de recorte en una sinusoide producirá tanta distorsión del amplificador que eventualmente producirá una forma de onda de salida que se asemeja a la de una forma de “onda cuadrada” que luego puede usarse en circuitos de sintetizador electrónicos o digitales.

Hemos visto que con una señal de CC el nivel de ganancia del amplificador puede variar con la amplitud de la señal, pero además de la distorsión de amplitud, pueden ocurrir otros tipos de distorsión del amplificador con señales de CA en circuitos amplificadores, como la distorsión de frecuencia y la distorsión de fase.

Distorsión de frecuencia 

La distorsión de frecuencia es otro tipo de distorsión de amplificador que se produce en un amplificador transistor cuando el nivel de amplificación varía con la frecuencia. Muchas de las señales de entrada que aumentará un amplificador práctico consisten en la forma de onda de la señal requerida llamada «Frecuencia fundamental» más una serie de frecuencias diferentes llamadas «Armónicos» superpuestas.

Normalmente, la amplitud de estos armónicos es una fracción de la amplitud fundamental y, por lo tanto, tienen muy poco o ningún efecto sobre la forma de onda de salida. Sin embargo, la forma de onda de salida puede distorsionarse si estas frecuencias armónicas aumentan en amplitud con respecto a la frecuencia fundamental. Por ejemplo, considere la forma de onda a continuación:

Distorsión de frecuencia debido a armónicos

En el ejemplo anterior, la forma de onda de entrada consiste en la frecuencia fundamental más una segunda señal armónica. La forma de onda de salida resultante se muestra en el lado derecho. La distorsión de frecuencia ocurre cuando la frecuencia fundamental se combina con el segundo armónico para distorsionar la señal de salida. Por lo tanto, los armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental y en nuestro ejemplo simple se usó un segundo armónico.

Por lo tanto, la frecuencia del armónico es el doble de la fundamental, 2 * ƒ o 2ƒ. Entonces, un tercer armónico sería 3ƒ, un cuarto, 4ƒ, y así sucesivamente. La distorsión de frecuencia debido a armónicos es siempre una posibilidad en circuitos amplificadores que contienen elementos reactivos como capacitancia o inductancia.

Distorsión de fase

La distorsión de fase o la distorsión de retardo es un tipo de distorsión del amplificador que se produce en un amplificador de transistor no lineal cuando hay un retardo de tiempo entre la señal de entrada y su aparición en la salida.

Si decimos que el cambio de fase entre la entrada y la salida es cero en la frecuencia fundamental, el retardo del ángulo de fase resultante será la diferencia entre el armónico y el fundamental. Este retardo de tiempo dependerá de la construcción del amplificador y aumentará progresivamente con la frecuencia dentro del ancho de banda del amplificador. Por ejemplo, considere la forma de onda a continuación:

Distorsión de fase debido a retardo

Aparte de los amplificadores de audio de gama alta, la mayoría de los amplificadores prácticos tendrán alguna forma de distorsión del amplificador que es una combinación de «Distorsión de frecuencia» y «Distorsión de fase», junto con distorsión de amplitud. En la mayoría de las aplicaciones, como en amplificadores de audio o amplificadores de potencia, a menos que la distorsión de los amplificadores sea excesiva o severa, generalmente no afectará el funcionamiento o el sonido de salida del amplificador.

En el siguiente tutorial sobre amplificadores, veremos el amplificador de clase A. Los amplificadores de clase A son el tipo más común de etapa de salida de amplificador, lo que los hace ideales para su uso en amplificadores de potencia de audio.