Un amplificador es un dispositivo electrónico de dos puertos que se utiliza para amplificar la señal o aumentar la potencia de una señal con la ayuda de una fuente de alimentación. La energía se suministra a través del terminal de entrada del amplificador. La salida del amplificador puede ser de amplitud aumentada, etc.
La ganancia del amplificador determina su amplificación. Es el factor principal que determina la salida de un dispositivo. Los amplificadores se utilizan en casi todos los tipos de componentes electrónicos. La ganancia se calcula como la relación entre el parámetro de salida (potencia, corriente o voltaje) y el parámetro de entrada.
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Los amplificadores se utilizan en diversas aplicaciones, como automatización, marina, sensores, etc. La ganancia de potencia de un amplificador es generalmente mayor que uno. Entendamos algunas características básicas de un amplificador ideal.
Aquí discutiremos un amplificador ideal, tipos de amplificadores, propiedades, funciones, y aplicaciones de amplificadores .
Empecemos.
Amplificador ideal
Consideremos las características de un amplificador ideal, que se enumeran a continuación:
- Impedancia de entrada: Infinito
- Impedancia de salida: Cero
- Ganancia a diferentes frecuencias: Fijado
El puerto de entrada de un amplificador puede ser la fuente de voltaje o la fuente de corriente. La fuente de voltaje solo depende del voltaje de entrada y no acepta corriente. De manera similar, la fuente de corriente acepta la corriente y no el voltaje. La salida será proporcional al voltaje o corriente en todo el puerto.
La salida de un amplificador ideal puede ser una fuente de corriente dependiente o una fuente de voltaje dependiente. La resistencia de la fuente de voltaje dependiente es cero, mientras que la de la fuente de corriente dependiente es infinita.
El voltaje o corriente de la fuente dependiente solo depende del voltaje o corriente de entrada. Significa que el voltaje de salida dependerá del voltaje de entrada, y la corriente de salida dependerá de la fuente de voltaje y la fuente de corriente independientes de la corriente de entrada, respectivamente.
Los amplificadores ideales se clasifican además en CCCS (Fuente de corriente de control actual), CCVS (Fuente de voltaje de control de corriente), VCVS (Fuente de voltaje de control de voltaje), y VCCS (Fuente de corriente de control de voltaje).
La impedancia de entrada de CCVS y CCCS es cero, mientras que VCCS y VCVS son infinitas. De manera similar, la impedancia de salida de CCCS y VCCS es infinita, mientras que la de CCVS y VCVS es cero.
Tipos de amplificador
Analicemos los diferentes tipos de amplificadores.
Amplificadores operacionales
Los amplificadores operacionales o Op-amps son amplificadores de acoplamiento directo (CC) de alta ganancia que realizan diversas operaciones matemáticas, como suma, diferenciación, resta, integración, etc.
Tiene dos terminales de entrada y un terminal de salida. Los terminales de entrada se denominan terminales inversores y no inversores. La señal aplicada al terminal inversor aparecerá como fase invertida y la señal aplicada al terminal no inversor aparecerá sin ninguna inversión de fase en el terminal de salida.
El voltaje aplicado en la entrada inversora se representa como V- y el voltaje en la entrada no inversora se representa como V+.
Nota: La impedancia de salida y la deriva de un amplificador operacional ideal son 0. La ganancia de voltaje, la impedancia de entrada y el ancho de banda de un amplificador operacional ideal son infinitos.
Los amplificadores operacionales se clasifican además en amplificadores inversores y no inversores. Analicemos en detalle los dos tipos anteriores de amplificadores operacionales.
Aplicaciones
Los amplificadores operacionales se utilizan en diversas aplicaciones de la electrónica. Por ejemplo,
- Filtros
- Comparador de voltaje
- Integrador
- Convertidor de corriente a voltaje
- amplificador de verano
- Desfasador
La entrada inversora y no inversora de un amplificador se muestra a continuación:
Amplificador inversor
El amplificador inversor se muestra a continuación:
Es la configuración de retroalimentación de derivación de voltaje del amplificador operacional. Un voltaje de señal aplicado a la entrada inversora del amplificador operacional da como resultado el flujo de corriente I1 hacia el amplificador operacional. Sabemos que la impedancia de entrada del amplificador operacional es infinita. No permitirá que la corriente fluya hacia el amplificador. La corriente fluirá a través del bucle de salida (a través de la resistencia R2) hasta el terminal de salida del amplificador operacional.
La ganancia de voltaje en el terminal de salida del amplificador inversor se calcula como:
A =Vo/Vs = -R2/R1
Dónde,
Vo y Vs son el voltaje de salida y señal.
El signo negativo representa que la salida del amplificador está desfasada 180 grados con respecto a la entrada.
El amplificador inversor es uno de los amplificadores operacionales más utilizados. Tiene impedancias de entrada y salida muy bajas.
Amplificador no inversor
El amplificador no inversor se muestra a continuación:
La configuración anterior es la conexión de retroalimentación en serie de voltaje. Un voltaje de señal aplicado a la entrada no inversora del amplificador operacional da como resultado el flujo de corriente I1 hacia el amplificador operacional y corriente I2 fuera del amplificador operacional.
Según el concepto de cortocircuito virtual, I1 = I2 y Vx =Vs.
La ganancia de voltaje del amplificador no inversor se puede calcular como:
A = A + (R2/R1)
Los amplificadores no inversores tienen impedancias de entrada altas y salida bajas. También se considera como amplificador de voltaje.
Amplificadores CC
Los amplificadores de CC o de acoplamiento directo se utilizan para amplificar señales de baja frecuencia y de acoplamiento directo. Las dos etapas de un amplificador de CC se pueden interconectar mediante un acoplamiento directo entre estas etapas.
El acoplamiento directo es un tipo de conexión simple y fácil. Se puede calcular conectando directamente el colector del transistor de primera etapa a la base del transistor de segunda etapa, mencionada como T1 y T2.
Pero los amplificadores de CC causan dos problemas llamados cambios de deriva y cambios de nivel. El diseño del amplificador diferencial eliminó estos problemas. Analicemos el amplificador diferencial.
Amplificadores diferenciales
La estructura del amplificador diferencial resolvió el problema de la deriva y el cambio de nivel. La estructura comprende dos bjt (Transistor de unión bipolar) conectados únicamente a través de las líneas de suministro de energía. Se denomina amplificador diferencial porque la salida del amplificador es la diferencia entre las entradas individuales, como se representa a continuación:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Dónde,
Vo es la salida y Vi1 y Vi2 son las dos entradas.
A es la ganancia del amplificador diferencial.
Ahora si
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
La operación anterior se llama modo diferencial operación. Aquí las señales de entrada están desfasadas entre sí. Estas señales desfasadas se conocen como señales de modo diferencial (DM).
Si,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
ordenar por sql aleatorio
En = 0
Esta operación se conoce como modo común (CM) porque las señales de entrada están en fase entre sí. La salida cero de tales señales indica que no habrá deriva en el amplificador.
Amplificadores de potencia
Los amplificadores de potencia también se llaman amplificadores de corriente . Estos amplificadores son necesarios para elevar el nivel actual de una señal entrante para controlar fácilmente las cargas. Los tipos de amplificadores de potencia incluyen amplificadores de potencia de audio, amplificadores de potencia de radiofrecuencia, etc.
Los amplificadores de potencia se clasifican en amplificadores de Clase A, Clase AB, Clase B y Clase C. Discutiremos las clases de amplificadores de potencia más adelante en este tema.
Amplificadores de modo conmutado
Los amplificadores de modo conmutado son un tipo de amplificador no lineal de alta eficiencia.
Un ejemplo común de este tipo de amplificadores son los amplificadores de clase D.
Amplificador instrumental
El amplificador instrumental se utiliza en instrumentos de medición y detección analógicos. Consideremos un ejemplo.
Un voltímetro utilizado para medir tensiones muy bajas requiere de un amplificador instrumental para su correcto funcionamiento. Tiene varias características, como ganancia de voltaje muy alta, buen aislamiento, muy bajo ruido, bajo consumo de energía, gran ancho de banda, etc.
Retroalimentación negativa
La retroalimentación negativa es una de las características esenciales para controlar la distorsión y el ancho de banda en los amplificadores. El objetivo principal de la retroalimentación negativa es reducir la ganancia del sistema. La parte de la salida en la fase opuesta se retroalimenta a la entrada. El valor se resta aún más de la entrada. En la señal de salida distorsionada, la salida con distorsión se realimenta en la fase opuesta. Se resta de la entrada; Podemos decir que la retroalimentación negativa en los amplificadores reduce las no linealidades y las señales no deseadas.
La siguiente imagen representa comentarios negativos:
Con la ayuda de la retroalimentación negativa, también se pueden eliminar la distorsión cruzada y otros errores físicos. Las otras ventajas de utilizar retroalimentación negativa son la extensión del ancho de banda, la rectificación de cambios de temperatura, etc.
La retroalimentación negativa puede ser una retroalimentación negativa de voltaje o una retroalimentación negativa de corriente. En ambos casos, la retroalimentación de voltaje o corriente es proporcional a la salida.
No debemos confundirnos entre comentarios positivos y negativos. La retroalimentación positiva tiende a amplificar el cambio, mientras que la retroalimentación negativa tiende a reducirlo. Otra diferencia es que las señales de entrada y salida en retroalimentación positiva están en fase y se suman. En el caso de retroalimentación negativa, las señales de entrada y salida están desfasadas y restadas.
Dispositivos activos en amplificador.
El amplificador consta de unos dispositivos activos que se encargan del proceso de amplificación. Puede ser un solo transistor, un tubo de vacío, un componente de estado sólido o cualquier parte de los circuitos integrados.
Analicemos los dispositivos activos y su papel en el proceso de amplificación.
bjt
BJT se conoce comúnmente como controlado por corriente dispositivo. Los transistores de unión bipolares se utilizan como interruptores para amplificar la corriente en amplificadores.
MOSFET
MOSFET o Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico Se utilizan comúnmente en la amplificación de señales electrónicas. Los MOSFET se pueden utilizar para cambiar la conductividad controlando el voltaje de la puerta. MOSFET también puede mejorar la intensidad de la señal débil. Por tanto, los MOSFET se pueden utilizar como amplificador.
Amplificadores de válvulas
El amplificador de válvulas de vacío utiliza válvulas de vacío como dispositivo fuente. Se utiliza para aumentar la amplitud de la señal. Por debajo de las frecuencias de microondas, los amplificadores de válvulas fueron reemplazados por amplificadores de estado sólido a finales del siglo XIX.thsiglo.
amplificadores de microondas
Los amplificadores de microondas se utilizan comúnmente en sistemas de microondas. Se utiliza para elevar el nivel de la señal de entrada con muy poca distorsión. También puede conmutar o aumentar la energía eléctrica. Proporciona una mejor salida de dispositivo único en comparación con dispositivos de estado sólido en frecuencias de microondas.
amplificadores magnéticos
Los amplificadores magnéticos se desarrollaron en el siglo XX.thsiglo para superar los inconvenientes (alta capacidad de corriente y resistencia) de los amplificadores de válvulas. Los amplificadores magnéticos son similares a los transistores. Controla la fuerza magnética del núcleo energizando la bobina de control (otra bobina de devanado).
Circuitos integrados
Los circuitos integrados pueden contener varios dispositivos electrónicos, como condensadores y transistores. La popularidad de los circuitos integrados también ha extendido los dispositivos electrónicos por todo el mundo.
Clases de amplificadores de potencia
Las clases de amplificadores de potencia se clasifican como clase A, clase B, clase AB, y clase C . Analicemos una breve descripción de las clases de amplificadores de potencia.
Amplificadores de potencia clase A
La entrada del amplificador de clase A es pequeña, por lo que la salida también lo es. Por tanto, no produce mucha amplificación de potencia. Con transistores, se puede utilizar como amplificadores de voltaje. Los amplificadores de clase A con pentodos de vacío también pueden proporcionar una única etapa de amplificación de potencia para controlar cargas, como altavoces.
Amplificadores de potencia clase B
Los BJT generalmente requieren amplificadores de potencia de Clase B para controlar cargas, como altavoces. La entrada de los amplificadores de clase B es grande, por lo que la salida también es muy grande. Por tanto, produce una gran amplificación. Pero, en el caso de un solo transistor, sólo se amplifica la mitad de la señal de entrada.
Amplificadores de potencia clase AB
La configuración de los amplificadores de potencia AB se encuentra entre los amplificadores de clase A y clase B. Los amplificadores de clase AB se producen combinando la alta salida de los amplificadores de potencia de clase B con la baja distorsión de los amplificadores de potencia de clase A.
En el caso de salidas pequeñas, el amplificador de potencia clase AB puede comportarse como clase A. Puede comportarse como un amplificador de potencia clase B en el caso de salidas muy grandes.
Amplificadores de potencia clase C
El elemento conductor de los amplificadores de potencia de clase C son los transistores. Tiene mejor eficiencia, pero debido a la conducción de menos de medio ciclo, causa una gran distorsión. Por lo tanto, los amplificadores de potencia de clase C no son los preferidos en aplicaciones de audio. Las aplicaciones comunes de dichos amplificadores incluyen circuitos de radiofrecuencia.
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Propiedades del amplificador
Los amplificadores se definen según sus propiedades de entrada y salida. La ganancia del amplificador determina su amplificación. Por tanto, los factores de ganancia y multiplicación son las dos propiedades esenciales de los amplificadores.
Analicemos las propiedades definidas por diferentes parámetros, que se enumeran a continuación:
La ganancia de un amplificador se calcula como la relación entre la salida (potencia, corriente o voltaje) y la entrada. Determina la amplificación del amplificador. Por ejemplo, una señal con una entrada de 10 voltios y una salida de 60 voltios tendrá una ganancia de 6.
Ganancia = Salida/Entrada
Ganancia = 60/10
Ganancia = 6
La ganancia se expresa en unidades dB (decibeles). Los componentes pasivos generalmente tienen una ganancia menor que uno, mientras que los componentes activos tienen una ganancia mayor que 1.
El ancho de banda se define como el ancho medido en hercios del rango de frecuencia útil.
Rango de frecuencia - El rango de frecuencia generalmente se especifica en términos de respuesta de frecuencia o ancho de banda.
El ruido se define como cualquier señal no deseada que actúa como una perturbación en el sistema.
La mayor eficiencia de un amplificador daría como resultado una menor generación de calor y más potencia de salida. Se calcula como la relación entre la potencia de salida y la utilización de la potencia total.
La velocidad de respuesta se mide en voltios por microsegundo. Se define como la tasa máxima de cambio de la producción. Una velocidad de respuesta por encima del rango audible de un amplificador daría como resultado menos distorsión y errores.
Se define como la capacidad del amplificador para producir copias precisas de la señal de entrada.
Los circuitos amplificadores requieren ser estables en todas las frecuencias disponibles. Se define como la capacidad de evitar oscilaciones no deseadas en un dispositivo electrónico.
Funciones de diferentes amplificadores.
Otros tipos de amplificadores tienen características diferentes. Analicemos la función de varios tipos de amplificadores que se utilizan en la actualidad.
- El amplificadores lineales no proporcionan una capacidad lineal perfecta porque ningún amplificador es perfecto. Esto se debe al uso de dispositivos amplificadores, como los transistores, que son de naturaleza no lineal. Estos dispositivos pueden producir cierta no linealidad. Los amplificadores lineales son menos propensos a la distorsión. Significa que los amplificadores lineales generan menos distorsión.
- Especialmente diseñado amplificadores de audio Puede amplificar la frecuencia de audio.
- El amplificador de banda estrecha amplifica una banda estrecha de frecuencias, mientras que los amplificadores de banda ancha amplifican una amplia gama de frecuencias.
- El amplificadores no lineales Produce distorsión en comparación con los dispositivos lineales. Sin embargo, los dispositivos no lineales todavía se utilizan en la actualidad. Ejemplos de amplificadores no lineales son los amplificadores de RF (Radiofrecuencia), etc.
- La estructura de la amplificador logarítmico produce una salida proporcional al logarítmico de su entrada. El circuito consta de dos diodos y dos amplificadores operacionales (amplificador operacional).
Aplicaciones del amplificador
Los amplificadores se utilizan en diferentes aplicaciones. Discutamoslo en detalle.
El seguidor de voltaje también se conoce como amplificador de ganancia unitaria . Tiene una impedancia de entrada muy grande y una impedancia de salida muy baja, que es el principio básico de almacenamiento en búfer acción. El terminal inversor del amplificador operacional está en cortocircuito con el terminal de salida.
Significa que la salida es igual a la entrada. Se llama seguidor de voltaje porque la salida del amplificador sigue a la entrada.
El seguidor de voltaje no proporciona efectos de carga, ni ganancia de potencia ni de corriente, que son sus ventajas.
A continuación se muestra la construcción de un convertidor de corriente a voltaje:
Dónde,
RT: Termistor o resistencia dependiente de la luz.
ÉL: Actual
RF: resistencia de retroalimentación
SI: Comentarios actuales
Voz: Tensión de salida
El termistor impulsa el amplificador operacional en su modo inversor. El cambio de temperatura da como resultado la variación de la resistencia del termistor. Varía aún más la corriente que lo atraviesa. La corriente fluye hacia la salida a través de la resistencia de retroalimentación como corriente de retroalimentación desarrollando el voltaje de salida. Dado que la corriente del termistor es igual a la corriente de retroalimentación, podemos decir que el voltaje de salida es proporcional a la corriente del termistor.
Así, una corriente de entrada se convierte en un voltaje de salida.
TWTA y klistrón son los dispositivos comunes utilizados como amplificadores de microondas. El amplificador de tubo de onda viajera (TWTA) proporciona una buena amplificación incluso a bajas frecuencias de microondas. Significa que se prefiere TWTA para amplificación de alta potencia. Pero los klistrones se pueden sintonizar mejor en comparación con el TWTA.
Los klistrones también se utilizan en frecuencias de microondas para aplicaciones de alta potencia. Pero proporciona una amplia amplificación sintonizable en comparación con TWTA. También tiene un ancho de banda reducido en comparación con TWTA.
Dispositivos de estado sólido , como MOSFET, diodos, materiales semiconductores (silicio, galio, etc.), se utilizan a baja potencia y frecuencias de microondas en diversas aplicaciones. Por ejemplo, teléfonos móviles, terminales portátiles de radiofrecuencia , etc. En tales aplicaciones, el tamaño y la eficiencia son los principales factores que determinan su capacidad y uso. El uso de dispositivos de estado sólido en amplificadores de microondas también proporciona un amplio ancho de banda.
Los amplificadores se utilizan en diversos instrumentos musicales, como guitarras y cajas de ritmos, para convertir la señal de diferentes fuentes (cuerdas de guitarra, etc.) en una potente señal electrónica (amplificador de potencia) que produce el sonido. El sonido es lo suficientemente audible para el público o las personas cercanas. La salida de algunos instrumentos musicales se conecta a los altavoces para obtener un sonido más fuerte.
Los amplificadores de instrumentos musicales también tienen la función de sintonización de señal que permite al intérprete cambiar el tono de la señal.
Los circuitos osciladores se utilizan para generar formas de onda eléctricas de cualquier frecuencia, forma y potencia deseada. El uso de amplificadores en osciladores proporciona una amplitud de salida constante y amplifica la frecuencia de retroalimentación.
El amplificador presente en el amplificador de video amplifica la señal que consta de componentes de alta frecuencia. También evita que se deforme. Los amplificadores de video tienen diferentes anchos de banda según la calidad de la señal de video, como SDTV, HDTV, 1080pi, etc.