REPASO ECAES ÁREA ELECTRÓNICA

(AMPLIFICACIÓN)

Por: Adrián Montoya Lince

Universidad de AntioquiaFacultad de Ingeniería

Departamento de Electrónica

CONTENIDO

• AMPLIFICACIÓN– Conceptos fundamentales– Polarización– Modelo de pequeña señal– Configuraciones Básicas EC, BC, CC– Clases tipo A, B, C, D– Amplificadores Diferenciales– Respuesta frecuencial– Amplificador Operacional

Amplificación Analógica

Modelo de amplificador

• Ganancia alta.• Resistencia de entrada alta y salida pequeña

Polarización

• Región adecuada para el Punto de Polarización.• Región Activa de las curvas del dispositivo.

Polarización• Evitar Punto Q en saturación.

Polarización• Punto Q en región activa

Polarización• Amplificadores Discretos:

Uso de resistencias, fuentes DC, Capacitores de acople.• Amplificadores C.I:

Uso mínimo de Resistencias y capacitores de acople.Las resistencias y capacitores ocupan área valiosa en CHIP. Proceso de fabricación demorado y valores de capacitores de pocos pF

• Tipos de Polarización – Polarización Fija– Autopolarización

• Divisor de tensión• Realimentación• Fuente de corriente

Polarizaciones Básicas en Amplificadores Discretos

Fija:

Voltaje DC aplicado

Divisor:

RG’s Altas

-Realimentación

-Sin Realim

Realim:

RG alto

Rs estabiliza Corriente

Fuente Corriente:

Estabilidad

Realim:

VG=VD

Saturación

Modelado en pequeña señal

iD=12k ' n WL vGS−V t

2

Para una señal con contenido DC y AC:

iD=12k ' nWL V GSv gs−V t

2

iD=12k ' nWL V GS−V t

2k ' n WL VGS−V t vgs12k ' nWL vgs2

Mosfet y BJT:

iE=iEO ev INnVT

t−1

vOUT=V CC−RC iC=V CC−RC β F i B=V CC−RCR B

β F v IN−V F

vOUT=V CC−RCR B

β F V INvin t −V F

Análisis en pequeña señal

Señales en el tiempo

Modelo circuital de pequeña señal

Tipos de amplificadores monoetapa

• Fuente Común – Emisor Común

• Compuerta Común – Base Común

• Drenador Común – Colector Común

Amplificador Fuente Común• Es uno de los mas usados

debido a sus ganancias altas en voltaje y corriente.

La ganancia depende de la transconductancia (gm) y la resistencia de carga (RD, RL).Desfasa la señal 180°.

• Posee impedancia de entrada y salidas medias.Zin depende de las RG’s y Zo de las RD y RL

Amplificador Compuerta Común

• Conocido también como “seguidor de corriente”, debido a que Ai~1. Av es de orden medio.

No hay desfase de señal.• Posee un impedancia de

entrada baja (depende de gm y RS). Zo es de orden medio y depende de las RD.

Amplificador Drenador Común

• Se le denomina: “seguidor de Voltaje” debido a que Av~1. La ganancia en corriente es alta. No hay desfase de señal

• La impedancia de entrada es alta. La Zo es baja y depende de RS y gm.

Tabla ResumenTipos de amplificadores Monoetapa

Alta ~ 1Baja

RS,1/gm

Alta

RG

Drenador

Común

~ 1Alta

gmRD

Media

RD

Baja

RS,1/gm

Compuerta

Común

AltaAlta

-gmRD

Media

RD

Alta

RG

Fuente

Común

AiAvZoZinTIPO

Tipos de amplificadores según excursión de la señal

• Clase A:

Excursión completa (360º). Lineal

Ecuaciones Amplificador Clase Afuente dual +Vcc, -Vcc

Voltaje en la carga: v L t=V o sin t

Corriente en la carga: i L t =V o

R L

sin t

Potencia rms en la carga: P L=V o

2

2RL

=> Pmax=V CC

2

2R L

Potencia promedio en las fuentes: P i=2VCC

2

RL=4Pmax

Potencia max disipada en el transistor: PQ=2Pmax cuandoV o=V CC

Eficiencia: =PLP i

=14V o

V CC

Amplificador Clase B

• Excursión de 180º. Alineal (distorsión)

Ecuaciones Amplificador Clase B

Voltaje en la carga: v L t =V o sin t

Corriente en la carga: i L t =V o

R L

sin t

Potencia rms en la carga: P L=V o

2

2RL

=> Pmax=V CC

2

2R L

Potencia promedio en las fuentes: P i=2VCC

V o

RL

Potencia disipada en los transistores: 2PQ=P i−PL=2VCC

V o

RL−V o

2

2RL

Maxima disipacion: PQmax=V CC

2

2 RL cuandoV o=

2VCC

Eficiencia: =PLP i

=4V o

V CC

Amplificador clase AB• Evita distorsión de cruce por cero

Amplificador Clase D

• Excursión menor de 180º. Sintonizado

Amplificador Clase DSeñales en el tiempo a la entrada:

Amplificador Clase D• Circuitos equivalentes:

Amplificador Clase D• Modulador de ancho de pulso

Amplificador Clase D

• Ecuaciones:

vI t =0 . 5VPV I cos ωt

Pcarg a=[KV I RL / RLrON ]

2

2R L

P I=KV I

2

2 R LrON

η=Pc arga

Pi=

11rON /RL

Amplificadores Diferenciales

• Señal en modo común y diferencial: v1 = vic + vid/2, v2 = vic - vid/2

Respuesta en frecuencia

• Método analítico aproximado de constantes de tiempo de circuito abierto (alta frec) y corto (baja frec)

b1=1wP1

1wP2

.. .− 1wPnH

b1=∑i=1

nH

C i R io

FH s =1a1 sa2 s

2.. .an H snH

1b1 sb2 s2. ..bnH s

nH

Determinación aproximada de wL y wH

De acuerdo con Gray and Searle (1969) se puede determinar el valor b1 considerando separadamente las diferentes capacitancias en el circuito equivalente de alta frecuencia, reduciendo las demás capacitancias a circuitos abiertos, desactivando la fuente de señal de entrada y determinando la Req vista desde las terminales de cada capacitor. El valor de b1 es calculado, sumando las constantes de tiempo individuales llamadas constantes de tiempo de circuito abierto.

wH≃1

∑i

C i Rio

b1≃1wP1

Entonces si los ceros son no dominantes y un polo wP1 es dominante la aproximación llega con:

Y la frecuencia superior de los 3 dB será aproximadamente igual a wP1:

e1=w P1wP2. . .wPn L

e1=∑i=1

n L1

C i R is

F L s =snLd 1 s

nL−1. . .

snLe1 s

nL−1. ..

Para determinar wL sin conocer los polos y ceros del circuito equivalente del amplificador en baja frecuencia, se realiza un analisis similar al anterior y también propuesto por Gray and Searle en 1969 :

Considerando separadamente las diferentes capacitancias en el circuito equivalente de baja frecuencia y dejando en operación sólo una Ci a la vez, se reducen las demás capacitancias a corto circuito (C=∞) y se desactiva la fuente de señal de entrada, para determinar la Req vista desde las terminales de Ci. El valor de e1 queda expresado por:

Entonces si los ceros son no dominantes y un polo wP1 es dominante, la aproximación llega con:

Y la frecuencia inferior para los 3 dB será aproximadamente igual a wP1:

e1≃w P1

wL≃∑i=1

nL1

C i Ris

Amplificador Operacional

Amplificador Operacional

• Características ideales :– Zin alta, Zo baja, Ganancia infinita

– “Tierra virtual”: v- = v+

• Características no ideales– Voltajes y Corrientes de desvío– Limitación de Rapidez de Respuesta (Slew Rate)

– Producto Ganancia-Ancho de banda– CMRR (Razón de Rechazo en modo común)