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Este documento proporciona un análisis detallado del comportamiento de amplificadores multietapa, incluyendo el cálculo de ganancia de voltaje, impedancia de entrada y salida, y respuesta en frecuencia. Se exploran diferentes configuraciones de transistores (emisor común, colector común, base común) y técnicas como el acoplamiento por transformador y la realimentación negativa. se incluye un ejemplo práctico con cálculos específicos y mediciones para un sistema de audio, ofreciendo una comprensión profunda de los principios y aplicaciones de los amplificadores multietapa en ingeniería electrónica.
Tipo: Exámenes selectividad
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¡No te pierdas las partes importantes!
Diseñar y aplicar el concepto de amplificadores de varias etapas, evaluar las ganancias, la distorsión y manejo en pequeña señal usando transistores.
Ganancia de voltaje de cada etapa (Av 1 , Av 2 ) Ganancia de voltaje total del sistema (Avtotal) Relación de fase entre la señal de entrada y salida
Este laboratorio permitirá al estudiante desarrollar las siguientes competencias:
Competencia Descripción Diseño de circui- tos
Capacidad para diseñar amplificadores multietapa considerando diferentes configu- raciones y acoplamientos. Análisis teórico Habilidad para realizar cálculos precisos de corrientes, voltajes, ganancias e impe- dancias en circuitos con transistores. Medición experi- mental
Destreza en el uso de instrumentos como osciloscopio y multímetro para obtener medidas de parámetros eléctricos. Contrastación teórico-práctica
Capacidad para comparar y analizar las diferencias entre los resultados teóricos y experimentales.
Cuadro 1: Competencias desarrolladas en la práctica de amplificador multietapa
Al finalizar esta práctica de laboratorio, se espera que el estudiante:
Comprenda los principios fundamentales del funcionamiento de amplificadores multietapa.
Cantidad Valor Potencia 2 1 kΩ 1/4 W 1 10 kΩ 1/4 W 1 1.2 kΩ 1/4 W 1 100 kΩ 1/4 W 1 22 kΩ 1/4 W 1 47 kΩ 1/4 W 1 1.5 kΩ 1/4 W 1 220 Ω 1/4 W
Cuadro 4: Resistencias requeridas para el circuito
Nota Importante
El estudiante puede utilizar componentes de valores equivalentes a los especificados, según el diseño particular que realice para el amplificador multietapa.
El BC548A es un transistor bipolar de unión (BJT) de silicio tipo NPN diseñado para aplicaciones de amplifica- ción y conmutación de baja potencia. Este transistor es ampliamente utilizado en circuitos de pequeña señal debido a su bajo ruido y buena ganancia.
Figura 1: Transistor BC548A en encapsulado TO-
Cuadro 5: Características principales del transistor BC548A (NPN)
Parámetro Símbolo Valor Unidad Voltaje colector-emisor máximo VCEO 30 V Voltaje colector-base máximo VCBO 30 V Voltaje emisor-base máximo VEBO 6.0 V Corriente de colector continua IC 100 mA Potencia de disipación PD 625 mW Temperatura de unión TJ 150 °C Ganancia de corriente (hFE)
3.1.1 Configuración de Pines
Pin 1: Colector
Pin 2: Base
Pin 3: Emisor
3.1.2 Aplicaciones Principales
Amplificadores de audio de baja potencia
Etapas de preamplificación
Circuitos de conmutación
Amplificadores de propósito general
Circuitos de conmutación complementarios
Fuentes de corriente
Etapas de salida en configuración push-pull
3.2.3 Características Especiales
Bajo nivel de ruido (especialmente el BC559C)
Complementario con el BC548, lo que facilita el diseño de circuitos simétricos
Alta ganancia DC
Excelente linealidad
Figura 3: Ganancia de corriente hFE vs corriente de colector IC para el BC
Nota importante sobre encapsulado
Tanto el BC548A como el BC559A vienen en encapsulado TO-92 con la misma disposición de pines (1- Colector, 2-Base, 3-Emisor), lo que facilita su sustitución en circuitos complementarios. Sin embargo, es importante recordar que son transistores de polaridad opuesta (NPN vs PNP), por lo que las tensiones y corrientes tendrán sentidos opuestos.
Un amplificador es un dispositivo electrónico cuya función principal es incrementar la amplitud de una señal eléctrica. Este proceso se realiza tomando potencia de una fuente de alimentación y controlando el flujo de esta potencia en función de la señal de entrada, entregándola a una carga en forma de una señal de mayor amplitud.
4.1.1 Parámetros Fundamentales
a) Ganancia : Es la relación entre la magnitud de la señal de salida respecto a la de entrada. Existen tres tipos principales:
Ganancia de voltaje : Av = V Voi Ganancia de corriente : Ai = I Ioi Ganancia de potencia : Ap = P Poi = Av · Ai
b) Impedancia de entrada : Es la impedancia que presenta el amplificador a la fuente de señal. Idealmente, la impedancia de entrada debe ser alta para no cargar excesivamente la fuente de señal:
Zin =
Vi Ii
c) Impedancia de salida : Es la impedancia que presenta el amplificador vista desde su salida. Idealmente, la impedancia de salida debe ser baja para transferir eficientemente la potencia a la carga:
Zout =
Vo Io
d) Ancho de banda : Es el rango de frecuencias en el que la ganancia del amplificador se mantiene dentro de ciertos límites aceptables (generalmente, no menos de -3 dB respecto a la ganancia máxima):
BW = fH − fL (3)
donde fH es la frecuencia de corte superior y fL la frecuencia de corte inferior.
Los transistores bipolares de unión (BJT) son dispositivos semiconductores de tres terminales (emisor, base y colector) que pueden operar como amplificadores o interruptores. Su principio de funcionamiento se basa en el control de una corriente mayor (colector-emisor) mediante una corriente menor (base-emisor).
4.2.1 Configuraciones Básicas
Existen tres configuraciones básicas para amplificadores con transistores BJT, cada una con características particulares:
La configuración colector común (seguidor por emisor) se caracteriza por tener una ganancia de voltaje apro- ximadamente unitaria, alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida, lo que la hace ideal como buffer o adaptador de impedancias.
4.2.4 Configuración Base Común (BC)
En esta configuración, la señal de entrada se aplica entre el emisor y la base, mientras que la salida se toma entre el colector y la base. La base es el terminal común a la entrada y salida.
Parámetros característicos:
Av =
re
Zin ≈ re (11)
Zout ≈ RC ∥ ro (12)
La configuración base común se caracteriza por tener una baja impedancia de entrada, alta impedancia de salida y excelente respuesta en alta frecuencia, lo que la hace adecuada para etapas de radiofrecuencia.
Un amplificador multietapa es un circuito que combina dos o más etapas de amplificación conectadas en cas- cada, donde la salida de una etapa sirve como entrada para la siguiente. Esta configuración se utiliza cuando una sola etapa no puede proporcionar la ganancia total requerida o cuando se necesitan características es- pecíficas que una sola etapa no puede ofrecer.
4.3.1 Cálculo de la Ganancia Total
La ganancia total de un amplificador multietapa en voltaje es el producto de las ganancias individuales de cada etapa:
Avtotal = Av 1 · Av 2 ·... · Avn (13)
O, expresada en decibelios:
Avtotal(dB) = Av 1 (dB) + Av 2 (dB) +... + Avn(dB) (14)
4.3.2 Consideración de Impedancias
En amplificadores multietapa, es crucial considerar el efecto de carga que cada etapa ejerce sobre la ante- rior. La impedancia de entrada de una etapa actúa como carga para la etapa anterior, lo que puede reducir significativamente la ganancia real del sistema.
La ganancia considerando el efecto de carga es:
A′ v 1 = Av 1 ·
Zin 2 Zin 2 + Zout 1
donde A′ v 1 es la ganancia de la primera etapa considerando el efecto de carga, Zin 2 es la impedancia de entrada de la segunda etapa y Zout 1 es la impedancia de salida de la primera etapa.
4.3.3 Ventajas de los Amplificadores Multietapa
Mayor ganancia total que la obtenible con una sola etapa.
Flexibilidad en diseño para optimizar diferentes parámetros en distintas etapas.
Mejor control del ancho de banda mediante la combinación adecuada de etapas.
Optimización de impedancias entre la fuente y la carga.
Posibilidad de integrar diferentes funcionalidades en cada etapa (preamplificación, filtrado, amplifi- cación de potencia).
Ejemplo de aplicación
Un diseño común en amplificadores de audio consiste en utilizar una primera etapa en configuración emisor común para obtener alta ganancia, seguida de una etapa colector común para adaptar impe- dancias y proporcionar baja impedancia de salida para alimentar a un altavoz.
El acoplamiento entre etapas es un factor crucial en el diseño de amplificadores multietapa, ya que afecta la respuesta en frecuencia, la ganancia y la estabilidad del sistema. Existen tres métodos principales de acoplamiento:
4.4.1 Acoplamiento Directo
En el acoplamiento directo, la salida de una etapa se conecta directamente a la entrada de la siguiente, sin elementos pasivos intermedios como capacitores o transformadores.
Características principales:
Respuesta en frecuencia : Excelente respuesta a bajas frecuencias, incluyendo DC.
Compacidad : Diseño más simple que requiere menos componentes.
Limitaciones : La polarización de cada etapa no es independiente de las otras. El nivel DC de cada etapa se va trasladando a la siguiente, produciéndose un problema de .apilamiento de voltaje"que puede saturar las etapas finales.
Soluciones : Este problema se puede corregir empleando estrategias de desplazamiento del nivel DC, como el uso de redes divisoras de tensión o fuentes de alimentación duales.
4.4.2 Acoplamiento Capacitivo
El acoplamiento capacitivo utiliza condensadores para conectar la salida de una etapa con la entrada de la siguiente, bloqueando la componente DC mientras permite el paso de las señales AC.
Características principales:
Independencia DC : La polarización de cada etapa es independiente, lo que simplifica el diseño y esta- bilización del punto de operación de cada transistor.
Respuesta en frecuencia : Limita la respuesta a bajas frecuencias. La frecuencia de corte inferior está determinada por la constante de tiempo RC formada por el capacitor de acoplamiento y la impedancia de entrada de la siguiente etapa.
Aplicaciones : Es ideal para amplificadores de audio y radiofrecuencia donde solo se requiere amplificar señales AC.
4.5.1 Frecuencias de Corte
Las frecuencias de corte son aquellas en las que la ganancia cae a 1 /
2 (-3 dB) de su valor máximo.
Frecuencia de corte inferior (fL): Principalmente determinada por los capacitores de acoplamiento y desacoplo.
Frecuencia de corte superior (fH ): Determinada por las capacitancias parásitas del transistor y el circuito.
El ancho de banda se define como: BW = fH − fL (17)
4.5.2 Efecto de los Capacitores de Acoplamiento
Los capacitores de acoplamiento forman un filtro paso alto junto con la impedancia de entrada de la etapa siguiente. La frecuencia de corte inferior asociada a un capacitor de acoplamiento se calcula como:
fL =
2 πReq C
donde Req es la resistencia equivalente vista por el capacitor.
4.5.3 Capacitancias Parásitas
Las capacitancias parásitas del transistor, especialmente la capacitancia colector-base (Ccb), limitan la res- puesta en alta frecuencia. El efecto Miller amplifica el impacto de Ccb y establece la frecuencia de corte superior:
fH ≈
2 πReq Ceq
donde Ceq incluye el efecto Miller: Ceq = Ccb · (1 + |Av |)
La polarización de un transistor consiste en establecer un punto de operación DC (punto Q) adecuado para que el dispositivo funcione en su región activa y pueda amplificar señales de manera lineal.
4.6.1 Punto de Operación (Punto Q)
El punto Q define las corrientes y voltajes DC en el transistor:
IC : Corriente de colector DC
VCE : Voltaje colector-emisor DC
IB : Corriente de base DC
4.6.2 Métodos de Polarización
Polarización por Divisor de Tensión Es uno de los métodos más estables y utilizados:
Estabilidad Térmica La estabilidad térmica es crucial para mantener el punto Q dentro de la región activa a pesar de las variaciones de temperatura. El factor de estabilidad S indica cómo cambia IC con ICO (corriente de fuga):
La resistencia de emisor RE mejora la estabilidad térmica, pero reduce la ganancia. Este problema se resuelve utilizando un capacitor de bypass en paralelo con RE.
El análisis de pequeña señal permite estudiar el comportamiento del amplificador con señales AC de amplitud limitada, donde el transistor opera en su región lineal alrededor del punto Q.
4.7.1 Modelos Equivalentes
Para el análisis de pequeña señal, se utilizan modelos simplificados que representan el comportamiento del transistor para señales AC.
Modelo Híbrido- π (Modelo π ) Parámetros principales:
rπ = β · re, donde re = (^26) ImVE a temperatura ambiente
gm = (^) VICT = 26 ImVC a temperatura ambiente
ro = V ICA , donde VA es el voltaje de Early
4.7.2 Análisis de Amplificador Emisor Común
Ganancia de voltaje:
Av = −gm · rπ ∥ RC = −
re
4.7.3 Análisis de Amplificador Colector Común
Ganancia de voltaje:
Av =
gm · rπ · RE rπ + RE + gm · rπ · RE
RE + re
4.9.1 Consideraciones de Diseño
La estabilidad de un amplificador multietapa es crucial para evitar oscilaciones no deseadas, especialmente cuando se aplica realimentación.
4.10.1 Criterios de Estabilidad
La estabilidad se evalúa generalmente mediante el criterio de Nyquist o el criterio de Bode. En sistemas con realimentación negativa, se debe asegurar que la ganancia de lazo abierto sea menor que 1 (0 dB) cuando el desfase alcanza 180°.
4.10.2 Técnicas de Compensación
Para mejorar la estabilidad, se utilizan técnicas de compensación en frecuencia:
Compensación por polo dominante : Introducción deliberada de un polo a baja frecuencia para reducir la ganancia antes de que el desfase alcance 180°. Compensación por adelanto de fase : Uso de redes RC para introducir un cero que reduce el desfase en frecuencias críticas.
La distorsión es la alteración no deseada de la forma de onda de la señal durante el proceso de amplificación. Existen varios tipos:
4.11.1 Tipos de Distorsión
p V 22 + V 32 + V 42 + ... V 1
donde V 1 es la amplitud del armónico fundamental y V 2 , V 3 , ... son las amplitudes de los armónicos superiores.
4.11.2 Minimización de la Distorsión
Para reducir la distorsión en amplificadores multietapa:
Asegurar que cada etapa opere en su región lineal
Limitar la amplitud de la señal de entrada
Utilizar realimentación negativa
Seleccionar componentes con características bien emparejadas para etapas complementarias
Los capacitores desempeñan roles fundamentales en amplificadores multietapa:
4.12.1 Capacitores de Acoplamiento
Los capacitores de acoplamiento permiten pasar señales AC entre etapas mientras bloquean las componentes DC. Su dimensionamiento es crítico:
Cacoplamiento ≥
2 πfminZin
donde fmin es la frecuencia mínima de operación y Zin es la impedancia de entrada de la etapa siguiente.
Si el capacitor de acoplamiento es demasiado pequeño, se producirá:
Atenuación de bajas frecuencias
Distorsión de fase
Pérdida de información en señales con componentes de baja frecuencia
4.12.2 Capacitores de Bypass o Desacoplo
Los capacitores de bypass proporcionan un camino de baja impedancia para señales AC, derivándolas alre- dedor de resistencias que de otro modo reducirían la ganancia.
Cbypass ≥
2 πfminR
donde R es la resistencia que se está "puenteando".
Un capacitor de bypass en el emisor de un transistor en configuración emisor común:
Aumenta significativamente la ganancia de voltaje
Reduce la estabilidad térmica para señales AC
Reduce la linealidad y aumenta potencialmente la distorsión
Para analizar el comportamiento del amplificador multietapa en señales AC de pequeña amplitud, se sigue un procedimiento sistemático:
