Tema 1A Amplificadores

Tema 1A
Amplificadores
Prof. A. Roldán Aranda
1º Ing. Informática
Conceptos generales de amplificación
§ 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
Tipos de electrónica - I
Electrónica
Analógica
Electrónica de
comunicaciones
Tipos de electrónica - II
Instrumentación
Electrónica,
Bioelectrónica...
Electrónica
Digital
Tipos de electrónica - III
A
B
Electrónica de
Potencia
Electrónica de
Dispositivos y
Microelectrónica
Introducción
Objetivo: Manejar y extraer información presente en una magnitud eléctrica
üAmplificar
üFiltrar
üAislar
üNormalizar
üConversiones (v/v, V/i, i/v, v/f, f/v,....)
üCaptura de pico
ü.....
Circuito
Analógico
Señal con información
Sensor, Antena,etc.
V
EJEMPLO:
ELEMENTO CLAVE
EN ELECTRÓNICA
ANALÓGICA:
t
VE
VS
Señal AM
(Débil, antena)
AMPLIFICADOR
ELECTRÓNICO
Tratamiento
Analógico
Altavoz
(Señal Fuerte)
Introducción: Ejemplo Sonido
Objetivo: Manejar y extraer información presente en una magnitud eléctrica
Sound out = Sound in ResponsemicrophoneGainamplifier Responseloudspea ker
TransferFunction = ResponsemicrophoneGainamplifier Responseloudspea ker
Power
Amp
vol
DEFINICIÓN: Tecnología
Tecnología: es el conjunto de habilidades que permiten construir objetos y
máquinas 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.
Implicaciones de la 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.
Formas de Onda
La tensión (VE) o la corriente (IE) de entrada a un amplificador puede tener una
forma cualquiera.
V
V
V
REPRESENTACIÓN
EN EL TIEMPO
t
Continua
t
Senoidal
t
Arbitraria
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.
Modelo Ideal
Ø
Un amplificador se modela por ganancia G en:
ü
Tensión: vo=Gv vi
vi
vo=Gvvi
ü
Corriente:
io=Gi ii
ü
Potencia:
Po=GP Pi
Formas de Onda en t vs. f
V
V
V
t
Continua
t
t
Senoidal
REPRESENTACIÓN
EN EL TIEMPO
Arbitraria
FOURIER
V
V
DC
Continua
f
f1
Senoidal
V
REPRESENTACIÓN
EN FRECUENCIA
(ESPECTRO)
f
DC
f1
f2 f
Arbitraria
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.
IDEAS BÁSICAS DE AMPLIFICACIÓN
¿Que es un amplificador?
Dispositivo capaz de elevar el nivel de potencia de una señal.
(En nuestro caso eléctrica: V o I)
+
Objetivo ideal
+
UE
AMPLIFICADOR
-
US
RL
-
PE = 0
y
PS = ∞
Carga
Fuente de señal
(Información)
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 potencia)
potencia pero
en forma de:
Ø Tensión (VS)
Ø Corriente (IS)
TIPOS DE AMPLIFICADORES
Información de Entrada
Tipo de Amplificador
Información de Salida
Tensión (UE)
Amplificador de tensión (V/V)
Tensión (US)
Tensión (UE)
Corriente (IE)
Corriente (IE)
Amplificador de Trans-conductancia (I/V)
Amplificador de Trans-resistencia (V/I)
Amplificador de Corriente (I/I)
Corriente (IS)
Tensión (US)
Corriente (IS)
TIPOS DE AMPLIFICADORES
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
+
UE
AMPLIFICADOR IDEAL DE CORRIENTE
+
+
US
A UE
-
RL
IE
-
IS
AI IE
Carga
RE = ∞ RS = 0
A = ganancia de tensión
Carga
R E = 0 RS = ∞
AI = ganancia de corriente
AMPLIFICADOR IDEAL
DE TRANSRESISTENCIA
AMPLIFICADOR IDEAL DE
TRANSCONDUCTANCIA
IS
+
UE
RL
+
RL
G UE
IE
+
+
US
R IE
RL
-
Carga
RE = ∞ RS = ∞
G = ganancia de transconductancia
Carga
R E = 0 RS = 0
R = ganancia de transresistencia
Amplificador ideal de tensión
+
UE
+
+
A UE
-
RL
US
-
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
Ejemplo de Amplificador - I
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).
Calcula la ganancia de TENSIÓN, CORRIENTE y POTENCIA ?
±1 V pico
CD
CD
600 Ω
100 W
Power Amp
8Ω
vol
600R
CD player
8R
600R
Power Amp
Ejemplo de Amplificador - II
ü
Ganancia en Tensión: Po =
v o2, peak
2Ro
⇒ v o , peak = 2Ro Po = 2.8.100 = 40
Gv =
v o , peak
v i , peak
= 40
¿De dónde
sale el 2 ?
ü Ganancia en Corriente y Potencia:
I 2R
P=
2
Gi =
io , peak
ii , peak
2 Po
=
Ro
vi , peak
Ri
2.100
=
1
600
GP =
Po
P
= 2 o
Pi V i , peak
=
2R i
8
= 5.600 = 3000
En dB:
NB:
100
1
= 120,000
2.600
P 
G P = 10 log10  o  = 50.8dB
 Pi 
G P = GvGi
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).
+
+
RE
UE
-
RS
+
US
A VE
-
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 ENTRADA (RE)
IE
Si la entrada es en tensión, nos interesa:
+
RE
UE
-
RE = ∞ (La mas grande posible)
Si la entrada es corriente, nos interesa:
IE = 0 (Lo mas pequeña posible)
R IN
UE
= RE =
IE
Equivalente de Thevenin de un amplificador real -II
Ganancia de Tensión en
Circuito Abierto (O.C.)
Tensión de vacío proporcional a la entrada
A = Ganancia de tensión en vacío
IE
+
RE
UE
-
+
+
ENTRADA
SALIDA
(VS)O.C
A · UE
-
Equivalente de Thevenin del amplificador real -III
IMPEDANCIA DE SALIDA
+
(US)O.C.
Mide la capacidad de entregar potencia del amplificador.
Si la salida es en tensión, nos interesará RS = 0 (pequeña)
-
+
(IS)S.C
ZS
+
VS
A UE
-
(U S )O .C
RS =
(I S )S .C .
Representación para un
equivalente de salida en
tensión
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
A = ARGUMENTO = Desfase
VE
Relación de amplitudes
(MÓDULO)
VS
θ
Desfase
(ARGUMENTO)
Respuesta en frecuencia de un amplificador - II
DIAGRAMA DE BODE
Ganancia
Normalmente la escala de frecuencias es logarítmica
10
0.01
0.1
1
10
100
1K
10K
0
1
2
3
4
[f]
1
-2
-1
[log f]
DÉCADA
f
Notar que la frecuencia 0 (DC-continua) en una escala
logarítmica está en -∞
Desfase
90º
0º
La Ganancia se representa también habitualmente en una
escala logarítmica especial (dB = Decibelios)
-90º
f
US
dB = 20⋅ log
= 20⋅ logA = 20log[Abs[A[ jω]]]
UE
Hendrik Wade Bode
Padre de BODE Plots
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
Lista de PATENTES
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
LogLinearPlot20 Log10, Abs1  1  1  I , , 0.01, 100
0
DIAGRAMA DE BODE
10
20
30
In[12]:=
0.1
1
10
LogLinearPlotArg1  1  1  I    , , 0.01, 100
100
80
60
Out[12]=
40
20
0.1
1
10
100
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
DIAGRAMA DE BODE
In[10]:=
hfuncs : 1  1  1  I ;
LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100, PlotLabel  SequenceForm "Bode Plot for ", hfuncs
Bode Plot for
1
1


0
10
Out[11]=
20
30
0.1
1
10
100
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
In[14]:=
LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,
PlotRange  40, 40,
Axes  False,
Frame  True,
FrameLabel  " RC", "dB",
RotateLabel  False,
GridLines  Automatic,
PlotStyle  AbsoluteThickness3,
AspectRatio  0.3,
ImageSize  800
DIAGRAMA DE BODE
40
20
Out[14]=
dB
0
20
40
0.01
0.1
1
 RC
10
100
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
In[17]:=
LogLinearPlotArg1  1  1  I   , , 0.01, 100,
PlotRange  90, 0,
Axes  False,
Frame  True,
FrameLabel  " RC", "dB",
RotateLabel  False,
GridLines  Automatic,
PlotStyle  AbsoluteThickness3,
AspectRatio  0.3,
ImageSize  800
DIAGRAMA DE BODE
80
60
Out[17]=
dB
40
20
0
0.01
0.1
1
 RC
10
100
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
In[24]:=
LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,
PlotRange  40, 40,
Axes  False,
Frame  True,
FrameLabel  " RC", "dB",
RotateLabel  False,
GridLines  Automatic,
PlotStyle  AbsoluteThickness3, RGBColor1, 0, 0,
AspectRatio  0.3,
ImageSize  800
DIAGRAMA DE BODE
40
20
Out[24]=
dB
0
20
40
0.01
0.1
1
 RC
10
100
Ejemplo MATHEMATICA - BODE
In[28]:=
LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,
PlotRange  40, 40,
Axes  False,
Frame  True,
FrameLabel  "dB", Amplitud, " RC", Frecuencia,
RotateLabel  True,
GridLines  Automatic,
PlotStyle  AbsoluteThickness3, RGBColor1, 0, 0,
AspectRatio  0.3,
ImageSize  800
DIAGRAMA DE BODE
Frecuencia
40
Amplitud
Out[28]=
dB
20
0
20
40
0.01
0.1
1
 RC
10
100
Respuesta en frecuencia de un amplificador
COMENTARIOS dB
Definición de ganancia de potencia en decibelios (dB) :
P
A P (dB ) = 10 ⋅ log10 A
PB
A = Punto donde se mide la ganancia respecto de B
B = Punto referencia del circuito
Si la potencia se entrega sobre cargas iguales:
V A2
A P (dB ) = 10 ⋅ log 10
PA
 VA
R

= 10 ⋅ log 10 LOAD
=
10
⋅
log
10 
2
PB
VB
 VB
R LOAD
Definición de ganancia de tensión en dB:
V 
A u (dB) = 20 ⋅ log10  A 
 VB 
2
V

 = 20 ⋅ log 10  A
 VB




VC=VE -VR
VE
VS
A
-
VR
SALIDA
ENTRADA
Amplificadores realimentados - I
β
RE-ALIMENTACIÓN
Se cumplen las siguientes relaciones:
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
Amplificadores realimentados - II
A
VS = VE ·
1+A·β
Ganancia de lazo
Tipos de realimentación:
• 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 - III
Realimentación negativa: A · β > 0
Por ejemplo:
A>0 y β>0
VE -VR
VE
A
-
VR
VS
β
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 - IV
Realimentación Positiva: A · β < 0
Por ejemplo:
A>0 y β<0
VE -VR
VE
A
-
VR
VS
β
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 - V
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
VE
Tacómetro
Motor DC
Amplificadores realimentados - VI
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
VE
Tacómetro
F
Error
-
Referencia
no
e
r
Motor DC
Amplificadores realimentados - VII
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
VE
Tacómetro
F
no
e
r
Motor DC
Error
-
Referencia
La realimentación negativa tiende a compensar
las variaciones de la salida.
Amplificadores realimentados - VIII
Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0
Este sistema equivale a:
referencia
-
Motor
+
carga
Tacómetro
+ circuitería
Velocidad
de giro
Amplificadores realimentados - IX
Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0
Tacómetro
F
-
Referencia
no
e
r
Motor DC
-1
Amplificadores realimentados - X
Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0
Tacómetro
F
no
e
r
Motor DC
error ↓
-
Referencia
-1
La realimentación positiva tiende a aumentar
las variaciones de la salida (se para o se acelera).
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