Tema 5. Amplificadores de Pequeña Señal - OCW

Tema 5 – Amplificadores de Pequeña Señal Rev 2
TEMA 5
AMPLIFICADORES
DE
PEQUEÑA SEÑAL
Profesores:
Germán Villalba Madrid
Miguel A. Zamora Izquierdo
Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones
Universidad de Murcia
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Tema 5 – Amplificadores de Pequeña Señal Rev 2
CONTENIDO
• Introducción
• Conceptos básicos sobre amplificadores.
– Cuadripolos
• Modelos de diferentes tipos de amplificadores.
–
–
–
–
–
•
•
•
•
Fuentes de alimentación y rendimiento
Medidas en decibelios
Aplicaciones con requisitos específicos
Distorsión
Análisis a partir de la recta de carga
Circuito equivalente en pequeña señal para el BJT en emisor común.
Circuito equivalente en pequeña señal para el FET en fuente común.
Cálculo de ganancias e impedancias.
Recta de carga dinámica.
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INTRODUCCION
• El amplificador es uno de los bloques funcionales más importantes de
los sistemas electrónicos.
• Se diferencia entre gran señal y pequeña señal, en que esta última
tiene valores de tensión de pocos milivoltios.
• Estos amplificadores necesitan la polarización en continua del
transistor, definiendo así un punto de trabajo Q, en torno al cual se
moverá dependiendo de la señal de entrada.
• En el estudio de la relación de tensiones y corrientes para pequeños
cambios en torno al punto Q, se hace uso de los circuitos equivalentes
en pequeña señal.
• Sin entrar en el estudio en frecuencia, las características más
importantes en un amplificador son su ganancia, impedancia de
entrada e impedancia de salida.
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CONCEPTOS BASICOS SOBRE AMPLIFICADORES
•
•
•
CUADRIPOLO: dispositivo con dos terminales de entrada y dos de salida.
Normalmente, uno de los terminales de entrada y otro de salida se conectan a
una referencia común (MASA).
Un amplificador de tensión produce una señal de salida con la misma forma
de onda que la señal de entrada, pero con mayor amplitud.
•
La relación entre la señal de salida y
la de entrada es la ganancia.
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MODELO DEL AMPLIFICADOR DE TENSION
•
El amplificador de tensión se modela utilizando una fuente controlada de
tensión. El modelo incluye una resistencia Ri entre terminales de entrada, y
una resistencia Ro en serie con los terminales de salida (la tensión Vo variará
según el valor de la carga conectada a la salida según la ley de ohm).
– Resistencia de entrada:
– Resistencia de salida:
– Ganancia de tensión en circuito abierto:
•
Ri = Vi / Ii
Ro = Vo / Io
Avo = Vo / Vi (si Io = 0 A)
Ganancia de Potencia, de tensión y corriente
P V I
• Ni toda la tensión de la fuente de señal se
G = S = S S = AV AI
PE VE I E
aplica a la entrada del amplificador debido
a Rs, ni toda la tensión producida por la
fuente controlada aparece en bornes de la
carga, debido a Ro.
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FUENTES DE ALIMENTACION Y RENDIMIENTO
•
•
La potencia necesaria por los circuitos internos de los amplificadores los
proporciona una fuente de alimentación.
El amplificador puede requerir varios niveles de tensión diferentes.
• La potencia total proporcionada es la
suma de las potencias suministradas
por cada nivel de tensión.
• La fuente de alimentación debe
proporcionar las siguientes
potencias:
– La potencia de salida menos la
potencia de entrada desde la fuente
de señal,
– y las pérdidas de potencia.
•
Rendimiento, eficiencia η = (Po / Pi)
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MEDIDAS EN DECIBELIOS
•
La ganancia de potencia se suele expresar en decibelios (dB), siendo
GdB = 10 log G = 10 log (Ps / Pe)
– Si la salida es mayor que la entrada (amplificador), la ganancia en dB es positiva.
– Si la salida es menor que la entrada (atenuador), la ganancia en dB es negativa.
•
En amplificadores en cascada, la ganancia total es el producto de sus
ganancias: G = G1*G2 ; aplicando log en ambos miembros se obtiene
GdB = 10 log(G) = 10 log(G1*G2) = 10 log(G1) + 10 log(G2) = G1dB + G2dB
– Ventajas al trabajar en dB: se suman las ganancias y atenuaciones de cada etapa.
•
Si G = Po/Pi = (VoIo)/(ViIi) = AvAi = (Av)2 (Ri/Rl); siendo Ai = Av *Ri/Rl
convirtiendo a dB:
– GdB = 10 log Av2 + 10 log Ri – 10 log Rl
– Si Ri = Rl, entonces se simplifica a AvdB = 20 log |Av|
•
No confundir dB con dBmV, dBW, dBmW igual a dBm. Son diferentes
notaciones que dependen del nivel de referencia establecido. Ejemplos:
– dBV = 20 log ( V/ 1V)
– dBW = 10 log ( P / 1 w)
– dBmW = dBm = 10 log (P / 1 mW)
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MODELOS DEL AMPLIFICADOR DE CORRIENTE –
TRANSCONDUCTANCIA Y TRANSRESISTENCIA
•
•
•
•
Amplificador de tensión: (página 6) la
propiedad de ganancia se presenta por una
fuente de tensión controlada por tensión.
Amplificador de corriente: la propiedad de
ganancia se representa por una fuente de
corriente controlada por corriente. En este caso
la resistencia de salida está en paralelo. La
ganancia de la fuente se llama de corriente en
cortocircuito. Aisc = Iosc / Ie
Amplificador de transconductancia: se
modela con una fuente de corriente controlada
por tensión. La ganancia de transconductancia
en cortocircuito es Gmsc = Iosc / Ve
Amplificador de transresistencia: se modela
con fuente de tensión controlada por corriente.
La ganancia de transresistencia en circuito
abierto es Rmoc = Vooc / Ie
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APLICACIONES CON REQUISITOS DE IMPEDANCIAS DE
ENTRADA Y SALIDA
•
•
En algunas aplicaciones (p.ej. voltímetro) si la impedancia de entrada es baja,
se producirá una reducción variable de la tensión debida a la carga, de
manera que la lectura no representaría la verdadera señal.
Sin embargo, un amperímetro precisará de una resistencia de entrada baja
para no modificar las características del circuito donde se está realizando la
lectura de intensidad.
• Un amplificador de audio conectado a
diferentes altavoces, la resistencia de
salida podría influir en el número de
altavoces activos en un instante.
• Un amplificador conectado a una fuente
por medio de una línea de transmisión
(p.ej. Cable coaxial) puede requerir una
determinada impedancia de entrada:
• La impedancia característica del
cable coaxial utilizado para señales de
televisión es de 75 ohmios. (Anexo V.I)
• Si Re diferente de impedancia
característica la señal se refleja.
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DISTORSION
•
•
•
La distorsión es un fenómeno no deseado que
corresponde con una señal de salida no fiel a
la de entrada. Esto se puede deber a la falta
de linealidad del dispositivo amplificador,
desigual distancia de las curvas del transistor,
sobrepasar los límites de la zona lineal y a
capacidades parásitas o asociadas al
amplificador.
Si la señal de entrada es senoidal y el punto
de trabajo del transistor llega a corte o a
saturación (ejemplo mostrado), la señal de
salida ya no será senoidal, presentando una
gran distorsión como se muestra en la figura.
Si el desplazamiento del punto Q se restringe
a la zona activa (razonablemente lineal) la
señal de salida, podremos considerarla no
distorsionada.
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ANALISIS DE LA RECTA DE CARGA DE UN AMPLIFICADOR NMOS
EN FUENTE COMUN
•
•
Las fuentes de tensión de continua polarizan
el NMOS en un punto de trabajo adecuado
para amplificar adecuadamente la señal de
entrada vin(t).
Los puntos extremos de tensión vgs definen
los puntos de máxima excursión del punto Q
(puntos de corte con la recta de carga),
obteniéndose así la Vds como amplificación
de la señal de entrada.
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CIRCUITO EQUIVALENTE EN PEQUEÑA SEÑAL PARA BJT
•
•
•
Notación de señales
– Diferenciar entre las tensiones y corrientes en el
punto Q (símbolos y subíndices en mayúsculas),
la corriente instantánea total (símbolo en
minúsculas y subíndice en mayúsculas) y la
componente de pequeña señal (símbolo y
subíndice en minúsculas).
Pequeña señal: varios milivoltios (menor que Vt).
El circuito equivalente en pequeña señal para el BJT
es el indicado en la figura, obteniéndose el valor de
rπ a partir del punto Q.
VT
β VT
rπ =
•
•
I BQ
=
I CQ
A temperatura ambiente Vt = 0.026 v.
Definiendo la transconductancia gm=β/ rπ se puede
utilizar el segundo circuito equivalente:
gm =
gm =
β
rπ
sustituyendo rπ =
β VT
I CQ
I CQ
VT
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AMPLIFICADOR EN EMISOR COMUN
•
Para determinar el circuito
equivalente para pequeña señal, se
realizan los siguientes pasos:
– Determinar el punto Q con la
polarización en continua (se abren
todos los condensadores).
– Cortocircuitar las fuentes de tensión
de continua.
– Cortocircuitar los condensadores.
– Sustituir el BJT por sus equivalente.
– El valor de rπ se obtiene a partir del
punto Q.
– Se aplican las leyes de circuitos.
•
El condensador Ce se denomina
condensador de desacoplo,
proporcionando un camino de baja
impedancia para la corriente alterna
que va desde el emisor a masa.
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CIRCUITO EQUIVALENTE EN PEQUEÑA SEÑAL PARA EL MOSFET
DE ACUMULACION DE CANAL N (NMOS)
•
La corriente o la tensión total es la suma del valor en el punto Q y la
señal:
iD (t ) = I DQ + id (t )
vGS (t ) = VGSQ + v gs (t )
K
(vGS − V p ) 2
2
K
K
2
2
I DQ + id (t ) = VGSQ + v gs (t ) − V p =
(VGSQ − V p ) + v gs (t )
2
2
Desarrollando el miembro de la derecha, y despreciando Kv gs (t )
iD =
[
]
[
]
id (t ) = K (VGSQ − V p )v gs (t )
Por tan to,
g m = K (VGSQ − V p )
•
Circuito equivalente más complejo:
– Las curvas características de drenador tienen
ligera pendiente ascendente con respecto a
Vds. Para tener en cuenta dicho efecto se
dispone una resistencia rd, entre drenador y
fuente.
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NMOS EN FUENTE COMUN
•
•
La señal alterna que ha de amplificarse es v(t).
Los condensadores de acoplo C1 y C2, y de desacoplo Cs, tienen el
propósito de presentar unas impedancias muy pequeñas para la señal
alterna.
• Las resistencias R1, R2, Rs y Rd
forman la red de polarización
para obtener un punto Q
adecuado.
• La señal de salida amplificada
se aplica a la carga RL a través
de C2.
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RECTA DE CARGA DINAMICA
VCC
R1
•
0
Rc
C2
Rg
•
Q1
C1
Q2N2222
RL
Vg
R2
Re
Ce
0
0
0
– Cortocircuitando los condensadores (Ce y
C2).
– Cortocircuitando las fuentes de tensión
continua (VCC).
– Tener en cuenta que RL está en paralelo con
Rc.
0
Ic
•
m= -1/R
Vcc
(Rc+Re)
Q
Vcc
La Recta de Carga Dinámica se consigue a
partir de la resistencia de carga R (R = Rc
|| RL) para pequeña señal.
Dicha R se obtiene del análisis de la malla
correspondiente al colector (drenador, caso
de FET), es decir calculando ic=f(vce)
teniendo en cuenta las siguientes
indicaciones:
La Recta de Carga Dinámica se traza a
partir de la pendiente (-1/R) y del punto Q
de polarización en continua, pues dicho
punto es común a ambas rectas de carga
(estática y dinámica). (y-yo) = m (x-xo)
Vce
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ANEXO V.I. – IMPEDANCIA CARACTERISTICA
• Se define la Impedancia Característica como la impedancia que
presentaría teóricamente una línea de transmisión de longitud infinita,
siendo Zo = V/I
• En la práctica, se coloca una carga al final de la línea con valor Zo.
• En un sistema que trabaja con máxima eficiencia, la impedancia del
transmisor, receptor y línea de transmisión debe ser la misma para
evitar reflexiones que degraden la señal.
• Para el caso del cable coaxial, siendo:
–
–
–
–
Zo impedancia característica
d el diámetro del conductor central.
D el diámetro del cable.
Er contante dieléctrica relativa al vacío
• Observar que no depende de la longitud.
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