Amplificador

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Un amplificador de audio estéreo McIntosh con una potencia de salida de 50 vatios por canal utilizado en los sistemas de audio de componentes domésticos en la década de 1970. [1]
La amplificación significa aumentar la amplitud (voltaje o corriente) de una señal variable en el tiempo por un factor dado, como se muestra aquí. El gráfico muestra la entrada (azul) y voltaje de salida (rojo) de un amplificador lineal ideal con una señal arbitraria aplicada como entrada. En este ejemplo, el amplificador tiene una ganancia de voltaje de 3; eso es en cualquier instante

Un amplificador , amplificador electrónico o (informalmente) amplificador es un dispositivo electrónico que puede aumentar la potencia de una señal (un voltaje o corriente variable en el tiempo ). Es un circuito electrónico de dos puertos que utiliza energía eléctrica de una fuente de alimentación para aumentar la amplitud (magnitud del voltaje o corriente) de una señal aplicada a sus terminales de entrada, produciendo una señal de mayor amplitud proporcionalmente en su salida. La cantidad de amplificación proporcionada por un amplificador se mide por su ganancia: la relación entre el voltaje, la corriente o la potencia de salida y la entrada. Un amplificador es un circuito que tiene una ganancia de potencia mayor que uno. [2] [3] [4]

Un amplificador puede ser un equipo separado o un circuito eléctrico contenido dentro de otro dispositivo. La amplificación es fundamental para la electrónica moderna y los amplificadores se utilizan ampliamente en casi todos los equipos electrónicos. Los amplificadores se pueden clasificar de diferentes maneras. Uno es por la frecuencia de la señal electrónica que se amplifica. Por ejemplo, los amplificadores de audio amplifican señales en el rango de audio (sonido) de menos de 20 kHz, los amplificadores de RF amplifican frecuencias en el rango de radiofrecuencia entre 20 kHz y 300 GHz, y los servoamplificadores y amplificadores de instrumentación pueden funcionar con frecuencias muy bajas hasta corriente continua. Los amplificadores también se pueden clasificar por su ubicación física en elcadena de señales ; un preamplificador puede preceder a otras etapas de procesamiento de señales, por ejemplo. [5] El primer dispositivo eléctrico práctico que podía amplificar fue el tubo de vacío triodo , inventado en 1906 por Lee De Forest , que condujo a los primeros amplificadores alrededor de 1912. Hoy en día, la mayoría de los amplificadores usan transistores .

Historia

Tubos de vacío

El primer dispositivo práctico destacado que podía amplificar fue el tubo de vacío triodo , inventado en 1906 por Lee De Forest , que condujo a los primeros amplificadores alrededor de 1912. Los tubos de vacío se usaron en casi todos los amplificadores hasta las décadas de 1960 y 1970 cuando los transistores los reemplazaron. Hoy en día, la mayoría de los amplificadores usan transistores, pero los tubos de vacío continúan usándose en algunas aplicaciones.

Prototipo de amplificador de audio de De Forest de 1914. El tubo de vacío Audion (triodo) tenía una ganancia de voltaje de aproximadamente 5, proporcionando una ganancia total de aproximadamente 125 para este amplificador de tres etapas.

El desarrollo de la tecnología de comunicación de audio en forma de teléfono , patentado por primera vez en 1876, creó la necesidad de aumentar la amplitud de las señales eléctricas para extender la transmisión de señales a distancias cada vez más largas. En telegrafía , este problema se resolvió con dispositivos intermedios en las estaciones que reponían la energía disipada al operar un registrador de señales y un transmisor uno tras otro, formando un relé, de modo que una fuente de energía local en cada estación intermedia alimentaba el siguiente tramo de transmisión. Para la transmisión dúplex, es decir, enviar y recibir en ambas direcciones, se desarrollaron repetidores de retransmisión bidireccionales a partir del trabajo de CF Varley .para transmisión telegráfica. La transmisión dúplex era esencial para la telefonía y el problema no se resolvió satisfactoriamente hasta 1904, cuando HE Shreeve de la American Telephone and Telegraph Company mejoró los intentos existentes de construir un repetidor telefónico que constaba de un transmisor de gránulos de carbono y un receptor electrodinámico adosados. [6] El repetidor Shreeve se probó por primera vez en una línea entre Boston y Amesbury, MA, y dispositivos más refinados permanecieron en servicio durante algún tiempo. Después del cambio de siglo, se descubrió que las lámparas de mercurio de resistencia negativa podían amplificar, y también se probaron en repetidores, con poco éxito. [7]

El desarrollo de válvulas termoiónicas que comenzó alrededor de 1902 proporcionó un método completamente electrónico para amplificar señales. La primera versión práctica de tales dispositivos fue el triodo Audion , inventado en 1906 por Lee De Forest , [8] [9] [10] que condujo a los primeros amplificadores alrededor de 1912. [11] Dado que el único dispositivo anterior que fue ampliamente utilizado para fortalecer una señal fue el relé utilizado en los sistemas de telégrafo , el tubo de vacío amplificador se denominó primero relé de electrones . [12] [13] [14] [15] Los términos amplificador yLa amplificación , derivada del latín amplificare , ( ampliar o expandir ), [16] se utilizó por primera vez para esta nueva capacidad alrededor de 1915, cuando los triodos se generalizaron. [dieciséis]

El tubo de vacío amplificador revolucionó la tecnología eléctrica, creando el nuevo campo de la electrónica , la tecnología de dispositivos eléctricos activos . [11] Hizo posibles las líneas telefónicas de larga distancia, los sistemas de megafonía , la transmisión de radio , las películas sonoras , la grabación práctica de audio , el radar , la televisión y las primeras computadoras . Durante 50 años, prácticamente todos los dispositivos electrónicos de consumo utilizaron tubos de vacío. Los primeros amplificadores de válvulas a menudo tenían retroalimentación positiva ( regeneración), lo que podría aumentar la ganancia pero también hacer que el amplificador sea inestable y propenso a la oscilación. Gran parte de la teoría matemática de los amplificadores se desarrolló en Bell Telephone Laboratories durante las décadas de 1920 y 1940. Los niveles de distorsión en los primeros amplificadores eran altos, generalmente alrededor del 5%, hasta 1934, cuando Harold Black desarrolló una retroalimentación negativa ; esto permitió que los niveles de distorsión se redujeran considerablemente, a costa de una menor ganancia. Harry Nyquist y Hendrik Wade Bode realizaron otros avances en la teoría de la amplificación . [17]

El tubo de vacío fue prácticamente el único dispositivo amplificador, aparte de los dispositivos de potencia especializados como el amplificador magnético y la amplidina , durante 40 años. Los circuitos de control de potencia utilizaron amplificadores magnéticos hasta la segunda mitad del siglo XX, cuando los dispositivos semiconductores de potencia se volvieron más económicos, con velocidades de operación más altas. Los viejos repetidores electroacústicos de carbón Shreeve se usaban en amplificadores ajustables en equipos de abonados telefónicos para personas con discapacidad auditiva hasta que el transistor proporcionó amplificadores más pequeños y de mayor calidad en la década de 1950. [18]

transistores

El primer transistor en funcionamiento fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen y Walter Brattain en 1947 en Bell Labs , donde William Shockley inventó más tarde el transistor de unión bipolar (BJT) en 1948. Les siguió la invención del metal-óxido- transistor de efecto de campo semiconductor (MOSFET) por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. Debido a la escala MOSFET , la capacidad de escalar a tamaños cada vez más pequeños, el MOSFET se ha convertido desde entonces en el amplificador más utilizado. [19]

La sustitución de voluminosos tubos de electrones por transistores durante las décadas de 1960 y 1970 creó una revolución en la electrónica, haciendo posible una gran clase de dispositivos electrónicos portátiles, como la radio de transistores desarrollada en 1954. Hoy en día, el uso de tubos de vacío está limitado para algunos dispositivos de alta potencia. aplicaciones, tales como transmisores de radio.

A partir de la década de 1970, se conectaron más y más transistores en un solo chip, creando así escalas más altas de integración (como integración a pequeña, mediana y gran escala ) en circuitos integrados . Muchos amplificadores disponibles comercialmente en la actualidad se basan en circuitos integrados.

Para fines especiales se han utilizado otros elementos activos. Por ejemplo, en los primeros días de la comunicación por satélite , se usaban amplificadores paramétricos . El circuito central era un diodo cuya capacitancia cambiaba mediante una señal de RF creada localmente. Bajo ciertas condiciones, esta señal de RF proporcionó energía que fue modulada por la señal de satélite extremadamente débil recibida en la estación terrena.

Los avances en la electrónica digital desde finales del siglo XX proporcionaron nuevas alternativas a los amplificadores de ganancia lineal tradicionales mediante el uso de conmutación digital para variar la forma del pulso de las señales de amplitud fija, lo que dio como resultado dispositivos como el amplificador Clase- D .

ideal

Los cuatro tipos de fuente dependiente: variable de control a la izquierda, variable de salida a la derecha

En principio, un amplificador es una red eléctrica de dos puertos que produce una señal en el puerto de salida que es una réplica de la señal aplicada al puerto de entrada, pero aumentada en magnitud.

El puerto de entrada se puede idealizar como una entrada de voltaje, que no toma corriente, con la salida proporcional al voltaje a través del puerto; o una entrada de corriente, sin voltaje a través de ella, en la que la salida es proporcional a la corriente a través del puerto. El puerto de salida se puede idealizar como una fuente de voltaje dependiente , con resistencia de fuente cero y su voltaje de salida dependiente de la entrada; o una fuente de corriente dependiente , con resistencia de fuente infinita y la corriente de salida dependiente de la entrada. Las combinaciones de estas opciones conducen a cuatro tipos de amplificadores ideales. [5] En forma idealizada están representados por cada uno de los cuatro tipos de fuente dependienteutilizado en el análisis lineal, como se muestra en la figura, a saber:

Aporte Producción fuente dependiente Tipo de amplificador Unidades de ganancia
I I Fuente de corriente controlada por corriente, CCCS Amplificador de corriente sin unidades
I V Fuente de tensión controlada por corriente, CCVS Amplificador de transresistencia Ohm
V I Fuente de corriente controlada por voltaje, VCCS Amplificador de transconductancia Siemens
V V Fuente de voltaje controlada por voltaje, VCVS Amplificador de voltaje sin unidades

Cada tipo de amplificador en su forma ideal tiene una resistencia ideal de entrada y salida que es la misma que la de la fuente dependiente correspondiente: [20]

Tipo de amplificador fuente dependiente Impedancia de entrada Impedancia de salida
Actual CCCS 0
transresistencia CCVS 0 0
Transconductancia VCCS
Voltaje VCVS 0

En los amplificadores reales no es posible lograr las impedancias ideales, pero estos elementos ideales pueden usarse para construir circuitos equivalentes de amplificadores reales agregando impedancias (resistencia, capacitancia e inductancia) a la entrada y salida. Para cualquier circuito en particular, a menudo se usa un análisis de señal pequeña para encontrar la impedancia real. Se aplica una corriente de prueba de CA de pequeña señal I x al nodo de entrada o salida, todas las fuentes externas se establecen en CA cero y el voltaje alterno V x correspondiente a través de la fuente de corriente de prueba determina la impedancia vista en ese nodo como R = V x / yo x . [21]

Los amplificadores diseñados para conectarse a una línea de transmisión en la entrada y la salida, especialmente los amplificadores de RF , no encajan en este enfoque de clasificación. En lugar de tratar con el voltaje o la corriente individualmente, lo ideal es que se acoplen con una impedancia de entrada o salida que coincida con la impedancia de la línea de transmisión, es decir, proporcionen relaciones de voltaje a corriente. Muchos amplificadores de RF reales se acercan a este ideal. Aunque, para una fuente apropiada dada y una impedancia de carga, los amplificadores de RF pueden caracterizarse como amplificadores de voltaje o corriente, fundamentalmente son amplificadores de potencia. [22]

Propiedades

Las propiedades del amplificador vienen dadas por parámetros que incluyen:

Los amplificadores se describen de acuerdo con las propiedades de sus entradas, sus salidas y cómo se relacionan. [23] Todos los amplificadores tienen ganancia, un factor de multiplicación que relaciona la magnitud de alguna propiedad de la señal de salida con una propiedad de la señal de entrada. La ganancia se puede especificar como la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada ( ganancia de voltaje ), la potencia de salida y la potencia de entrada ( ganancia de potencia ) o alguna combinación de corriente, voltaje y potencia. En muchos casos, la propiedad de la salida que varía depende de la misma propiedad de la entrada, lo que hace que la ganancia no tenga unidades (aunque a menudo se expresa en decibelios (dB)).

La mayoría de los amplificadores están diseñados para ser lineales. Es decir, proporcionan una ganancia constante para cualquier nivel de entrada y señal de salida normales. Si la ganancia de un amplificador no es lineal, la señal de salida puede distorsionarse . Hay, sin embargo, casos en los que la ganancia variable es útil. Ciertas aplicaciones de procesamiento de señales utilizan amplificadores de ganancia exponencial. [5]

Los amplificadores generalmente están diseñados para funcionar bien en una aplicación específica, por ejemplo: transmisores y receptores de radio y televisión , equipos estéreo de alta fidelidad ("hi-fi"), microcomputadoras y otros equipos digitales, y amplificadores de guitarra y otros instrumentos . Cada amplificador incluye al menos un dispositivo activo , como un tubo de vacío o un transistor .

Comentarios negativos

Retroalimentación negativaes una técnica utilizada en la mayoría de los amplificadores modernos para mejorar el ancho de banda y la distorsión y controlar la ganancia. En un amplificador de retroalimentación negativa, parte de la salida se retroalimenta y se suma a la entrada en fase opuesta, restando de la entrada. El efecto principal es reducir la ganancia total del sistema. Sin embargo, cualquier señal no deseada introducida por el amplificador, como la distorsión, también se retroalimenta. Como no forman parte de la entrada original, se suman a la entrada en fase opuesta, restándolos de la entrada. De esta forma, la retroalimentación negativa también reduce la no linealidad, la distorsión y otros errores introducidos por el amplificador. Grandes cantidades de retroalimentación negativa pueden reducir los errores hasta el punto de que la respuesta del amplificador en sí se vuelve casi irrelevante siempre que tenga una gran ganancia y el rendimiento de salida del sistema (el "el rendimiento del bucle ") se define completamente por los componentes en el bucle de retroalimentación. Esta técnica se usa particularmente con amplificadores operacionales (op-amps).

Los amplificadores sin retroalimentación solo pueden lograr alrededor del 1% de distorsión para las señales de audiofrecuencia. Con retroalimentación negativa , la distorsión generalmente se puede reducir a 0.001%. El ruido, incluso la distorsión cruzada, se puede eliminar prácticamente. La retroalimentación negativa también compensa las temperaturas cambiantes y los componentes degradados o no lineales en la etapa de ganancia, pero cualquier cambio o no linealidad en los componentes del circuito de retroalimentación afectará la salida. De hecho, la capacidad del circuito de retroalimentación para definir la salida se usa para hacer circuitos de filtro activos .

Otra ventaja de la retroalimentación negativa es que amplía el ancho de banda del amplificador. El concepto de retroalimentación se usa en amplificadores operacionales para definir con precisión la ganancia, el ancho de banda y otros parámetros basados ​​completamente en los componentes del circuito de retroalimentación.

La retroalimentación negativa se puede aplicar en cada etapa de un amplificador para estabilizar el punto de operación de los dispositivos activos frente a cambios menores en el voltaje de la fuente de alimentación o las características del dispositivo.

Cierta retroalimentación, positiva o negativa, es inevitable y, a menudo, indeseable, introducida, por ejemplo, por elementos parásitos , como la capacitancia inherente entre la entrada y la salida de dispositivos como transistores y el acoplamiento capacitivo del cableado externo. La retroalimentación positiva dependiente de la frecuencia excesiva puede producir una oscilación parásita y convertir un amplificador en un oscilador .

Categorías

Dispositivos activos

Todos los amplificadores incluyen algún tipo de dispositivo activo: este es el dispositivo que realiza la amplificación real. El dispositivo activo puede ser un tubo de vacío , un componente discreto de estado sólido, como un solo transistor , o parte de un circuito integrado , como en un amplificador operacional ).

Los amplificadores de transistores (o amplificadores de estado sólido) son el tipo de amplificador más común que se usa en la actualidad. Se utiliza un transistor como elemento activo. La ganancia del amplificador está determinada por las propiedades del propio transistor, así como por el circuito que lo contiene.

Los dispositivos activos comunes en los amplificadores de transistores incluyen transistores de unión bipolar (BJT) y transistores de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET).

Las aplicaciones son numerosas, algunos ejemplos comunes son amplificadores de audio en un estéreo doméstico o sistema de megafonía , generación de alta potencia de RF para equipos de semiconductores, aplicaciones de RF y microondas como transmisores de radio.

La amplificación basada en transistores se puede realizar usando varias configuraciones: por ejemplo, un transistor de unión bipolar puede realizar una amplificación de base común , colector común o emisor común ; un MOSFET puede realizar una puerta común , una fuente común o una amplificación de drenaje común . Cada configuración tiene características diferentes.

Los amplificadores de válvulas (también conocidos como amplificadores de válvulas o amplificadores de válvulas) utilizan una válvula de vacío como dispositivo activo. Si bien los amplificadores de semiconductores han desplazado en gran medida a los amplificadores de válvulas para aplicaciones de baja potencia, los amplificadores de válvulas pueden ser mucho más rentables en aplicaciones de alta potencia como radares, equipos de contramedidas y equipos de comunicaciones. Muchos amplificadores de microondas son amplificadores de válvula especialmente diseñados, como klystron , gyrotron , tubo de ondas viajeras y amplificador de campo cruzado , y estas válvulas de microondas proporcionan una potencia de salida de un solo dispositivo mucho mayor a frecuencias de microondas que los dispositivos de estado sólido. [24]Los tubos de vacío siguen en uso en algunos equipos de audio de gama alta, así como en amplificadores de instrumentos musicales , debido a la preferencia por el " sonido de tubo ".

Los amplificadores magnéticos son dispositivos algo similares a un transformador en el que se usa un devanado para controlar la saturación de un núcleo magnético y, por lo tanto, alterar la impedancia del otro devanado. [25]

Han dejado de usarse en gran medida debido al desarrollo de los amplificadores de semiconductores, pero siguen siendo útiles en el control de HVDC y en los circuitos de control de energía nuclear debido a que no se ven afectados por la radiactividad.

Las resistencias negativas se pueden usar como amplificadores, como el amplificador de diodo de túnel . [26] [27]

Amplificadores de potencia

Amplificador de potencia de Skyworks Solutions en un Smartphone .

Un amplificador de potencia es un amplificador diseñado principalmente para aumentar la potencia disponible para una carga . En la práctica, la ganancia de potencia del amplificador depende de las impedancias de la fuente y de la carga , así como de la tensión inherente y la ganancia de corriente. Un diseño de amplificador de radiofrecuencia (RF) generalmente optimiza las impedancias para la transferencia de energía, mientras que los diseños de amplificadores de audio e instrumentación normalmente optimizan la impedancia de entrada y salida para una menor carga y una mayor integridad de la señal. Un amplificador del que se dice que tiene una ganancia de 20 dB podría tener una ganancia de voltaje de 20 dB y una ganancia de potencia disponible de mucho más de 20 dB (relación de potencia de 100), pero en realidad ofrece una ganancia de potencia mucho menor si, por ejemplo, , la entrada es de un micrófono de 600 Ω y la salida se conecta a un 47  toma de entrada para un amplificador de potencia. En general, el amplificador de potencia es el último 'amplificador' o circuito real en una cadena de señal (la etapa de salida) y es la etapa del amplificador que requiere atención a la eficiencia energética. Las consideraciones de eficiencia conducen a las diversas clases de amplificadores de potencia en función de la polarización de los transistores o válvulas de salida: consulte las clases de amplificadores de potencia a continuación.

Los amplificadores de potencia de audio se utilizan normalmente para controlar los altavoces . A menudo tendrán dos canales de salida y entregarán la misma potencia a cada uno. Un amplificador de potencia de RF se encuentra en las etapas finales del transmisor de radio . Un controlador de servomotor : amplifica un voltaje de control para ajustar la velocidad de un motor o la posición de un sistema motorizado.

Amplificadores operacionales (op-amps)

Un amplificador operacional de propósito general LM741

Un amplificador operacional es un circuito amplificador que normalmente tiene entradas diferenciales y de ganancia de bucle abierto muy altas. Los amplificadores operacionales se han utilizado mucho como "bloques de ganancia" estandarizados en los circuitos debido a su versatilidad; su ganancia, ancho de banda y otras características pueden controlarse mediante retroalimentación a través de un circuito externo. Aunque hoy en día el término se aplica comúnmente a los circuitos integrados, el diseño original del amplificador operacional usaba válvulas y los diseños posteriores usaban circuitos de transistores discretos.

Un amplificador completamente diferencial es similar al amplificador operacional, pero también tiene salidas diferenciales. Por lo general, se construyen utilizando BJT o FET .

Amplificadores distribuidos

Estos utilizan líneas de transmisión balanceadas para separar amplificadores individuales de una sola etapa, cuyas salidas se suman en la misma línea de transmisión. La línea de transmisión es de tipo balanceado con la entrada en un extremo y solo en un lado de la línea de transmisión balanceada y la salida en el extremo opuesto también es el lado opuesto de la línea de transmisión balanceada. La ganancia de cada etapa se suma linealmente a la salida en lugar de multiplicarse una sobre la otra como en una configuración en cascada. Esto permite lograr un ancho de banda más alto que el que podría obtenerse incluso con los mismos elementos de etapa de ganancia.

Amplificadores de modo conmutado

Estos amplificadores no lineales tienen eficiencias mucho más altas que los amplificadores lineales y se utilizan cuando el ahorro de energía justifica la complejidad adicional. Los amplificadores de clase D son el principal ejemplo de este tipo de amplificación.

Amplificador de resistencia negativa

El amplificador de resistencia negativa es un tipo de amplificador regenerativo [28] que puede usar la retroalimentación entre la fuente y la puerta del transistor para transformar una impedancia capacitiva en la fuente del transistor en una resistencia negativa en su puerta. En comparación con otros tipos de amplificadores, este "amplificador de resistencia negativa" solo requerirá una pequeña cantidad de potencia para lograr una ganancia muy alta, manteniendo una buena figura de ruido al mismo tiempo.

Aplicaciones

Amplificadores de video

Los amplificadores de video están diseñados para procesar señales de video y tienen diferentes anchos de banda dependiendo de si la señal de video es para SDTV, EDTV, HDTV 720p o 1080i/p, etc. La especificación del ancho de banda en sí depende del tipo de filtro que se use, y en en qué punto ( −1 dB o −3 dB por ejemplo) se mide el ancho de banda. Ciertos requisitos de respuesta escalonada y sobreimpulso son necesarios para una imagen de TV aceptable. [29]

Amplificadores de microondas

Los amplificadores de tubo de onda viajera (TWTA) se utilizan para la amplificación de alta potencia a frecuencias de microondas bajas. Por lo general, pueden amplificar a través de un amplio espectro de frecuencias; sin embargo, por lo general no son tan sintonizables como los klistrones. [30]

Los klystrons son dispositivos de vacío de haz lineal especializados, diseñados para proporcionar una amplificación de ondas milimétricas y submilimétricas de alta potencia y ampliamente sintonizable. Los Klystron están diseñados para operaciones a gran escala y, a pesar de tener un ancho de banda más estrecho que los TWTA, tienen la ventaja de amplificar coherentemente una señal de referencia para que su salida pueda controlarse con precisión en amplitud, frecuencia y fase.

Los dispositivos de estado sólido, como los MOSFET de canal corto de silicio, como los FET de semiconductores de óxido de metal de doble difusión (DMOS), los FET de GaAs , los transistores bipolares de heterounión SiGe y GaAs /HBT, los HEMT , los diodos IMPATT y otros, se utilizan especialmente en microondas inferiores. frecuencias y niveles de potencia del orden de los vatios, específicamente en aplicaciones como terminales de RF portátiles/ teléfonos móviles y puntos de acceso donde el tamaño y la eficiencia son los factores determinantes. Nuevos materiales como nitruro de galio ( GaN ) o GaN sobre silicio o sobre carburo de silicio/SiC están emergiendo en transistores HEMT y aplicaciones donde se necesita eficiencia mejorada, ancho de banda amplio, operación aproximadamente de unas pocas a unas pocas decenas de GHz con una potencia de salida de unos pocos vatios a unos pocos cientos de vatios. [31] [32]

Según las especificaciones del amplificador y los requisitos de tamaño, los amplificadores de microondas se pueden realizar como integrados monolíticamente, integrados como módulos o basados ​​en partes discretas o cualquier combinación de estos.

El máser es un amplificador de microondas no electrónico.

Amplificadores de instrumentos musicales

Los amplificadores de instrumentos son una gama de amplificadores de potencia de audio que se utilizan para aumentar el nivel de sonido de los instrumentos musicales, por ejemplo, guitarras, durante las actuaciones.

Clasificación de etapas y sistemas amplificadores

Terminal común

Un conjunto de clasificaciones para amplificadores se basa en qué terminal de dispositivo es común tanto para el circuito de entrada como para el de salida. En el caso de los transistores de unión bipolar , las tres clases son emisor común, base común y colector común. Para los transistores de efecto de campo , las configuraciones correspondientes son fuente común, puerta común y drenaje común; para tubos de vacío , cátodo común, rejilla común y placa común.

El emisor común (o fuente común, cátodo común, etc.) se configura con mayor frecuencia para proporcionar amplificación de un voltaje aplicado entre la base y el emisor, y la señal de salida tomada entre el colector y el emisor se invierte, en relación con la entrada. La disposición de colector común aplica el voltaje de entrada entre la base y el colector, y toma el voltaje de salida entre el emisor y el colector. Esto provoca una retroalimentación negativa y el voltaje de salida tiende a seguir al voltaje de entrada. Esta disposición también se utiliza porque la entrada presenta una alta impedancia y no carga la fuente de señal, aunque la amplificación de voltaje es menor que uno. El circuito de colector común es, por lo tanto, más conocido como seguidor de emisor, seguidor de fuente o seguidor de cátodo.

Unilateral o bilateral

Un amplificador cuya salida no presenta retroalimentación en su lado de entrada se describe como 'unilateral'. La impedancia de entrada de un amplificador unilateral es independiente de la carga y la impedancia de salida es independiente de la impedancia de la fuente de señal. [33]

Un amplificador que usa retroalimentación para conectar parte de la salida a la entrada es un amplificador bilateral . La impedancia de entrada del amplificador bilateral depende de la carga y la impedancia de salida de la impedancia de la fuente de señal. Todos los amplificadores son bilaterales hasta cierto punto; sin embargo, a menudo se pueden modelar como unilaterales en condiciones operativas donde la retroalimentación es lo suficientemente pequeña como para ignorarla para la mayoría de los propósitos, lo que simplifica el análisis (consulte el artículo de base común para ver un ejemplo).

Invertir o no invertir

Otra forma de clasificar los amplificadores es por la relación de fase de la señal de entrada con la señal de salida. Un amplificador 'inversor' produce una salida desfasada 180 grados con la señal de entrada (es decir, una inversión de polaridad o una imagen especular de la entrada como se ve en un osciloscopio ). Un amplificador 'no inversor' mantiene la fase de las formas de onda de la señal de entrada. Un seguidor de emisor es un tipo de amplificador no inversor, lo que indica que la señal en el emisor de un transistor sigue (es decir, coincide con la ganancia unitaria pero quizás con una compensación) la señal de entrada. El seguidor de voltaje también es un tipo de amplificador no inversor que tiene ganancia unitaria.

Esta descripción puede aplicarse a una sola etapa de un amplificador oa un sistema amplificador completo.

Función

Otros amplificadores pueden clasificarse por su función o características de salida. Estas descripciones funcionales generalmente se aplican a sistemas o subsistemas amplificadores completos y rara vez a etapas individuales.

Método de acoplamiento entre etapas

Los amplificadores a veces se clasifican por el método de acoplamiento de la señal en la entrada, salida o entre etapas. Los diferentes tipos de estos incluyen:

Amplificador acoplado resistivo-capacitivo (RC), que utiliza una red de resistencias y condensadores
Por diseño, estos amplificadores no pueden amplificar señales de CC ya que los condensadores bloquean el componente de CC de la señal de entrada. Los amplificadores acoplados a RC se usaban muy a menudo en circuitos con válvulas de vacío o transistores discretos. En los días del circuito integrado, unos pocos transistores más en un chip son mucho más baratos y más pequeños que un condensador.
Amplificador acoplado inductivo-capacitivo (LC), que utiliza una red de inductores y condensadores
Este tipo de amplificador se usa con mayor frecuencia en circuitos selectivos de radiofrecuencia.
Amplificador acoplado por transformador , que utiliza un transformador para igualar las impedancias o para desacoplar partes de los circuitos
Muy a menudo, los amplificadores acoplados por LC y acoplados por transformador no se pueden distinguir, ya que un transformador es una especie de inductor.
Amplificador acoplado directo , que no utiliza impedancia ni componentes coincidentes de polarización
Esta clase de amplificador era muy poco común en los días de los tubos de vacío, cuando el voltaje del ánodo (salida) era superior a varios cientos de voltios y el voltaje de la rejilla (entrada) era de unos pocos voltios menos. Por lo tanto, solo se usaron si la ganancia se especificó hasta CC (por ejemplo, en un osciloscopio). En el contexto de la electrónica moderna, se anima a los desarrolladores a utilizar amplificadores acoplados directamente siempre que sea posible. En las tecnologías FET y CMOS, el acoplamiento directo es dominante ya que, en teoría, las puertas de los MOSFET no pasan corriente a través de sí mismas. Por lo tanto, el componente de CC de las señales de entrada se filtra automáticamente.

Rango de frecuencia

Dependiendo del rango de frecuencia y otras propiedades, los amplificadores se diseñan de acuerdo con diferentes principios.

Los rangos de frecuencia hasta CC solo se utilizan cuando se necesita esta propiedad. Los amplificadores para señales de corriente continua son vulnerables a variaciones menores en las propiedades de los componentes con el tiempo. Se utilizan métodos especiales, como los amplificadores estabilizados por chopper , para evitar una desviación objetable en las propiedades del amplificador para CC. Se pueden agregar condensadores de "bloqueo de CC" para eliminar las frecuencias subsónicas y de CC de los amplificadores de audio.

Dependiendo del rango de frecuencia especificado, se deben utilizar diferentes principios de diseño. Hasta el rango de MHz, solo se deben considerar las propiedades "discretas"; por ejemplo, un terminal tiene una impedancia de entrada.

Tan pronto como cualquier conexión dentro del circuito sea más larga que quizás el 1% de la longitud de onda de la frecuencia más alta especificada (p. ej., a 100 MHz la longitud de onda es de 3 m, por lo que la longitud crítica de la conexión es de aproximadamente 3 cm), las propiedades de diseño cambian radicalmente. Por ejemplo, la longitud y el ancho especificados de un trazo de PCB se pueden usar como una entidad selectiva o de adaptación de impedancia. Por encima de unos pocos cientos de MHz, se vuelve difícil usar elementos discretos, especialmente inductores. En la mayoría de los casos, se utilizan en su lugar trazas de PCB de formas muy definidas ( técnicas de línea de banda ).

El rango de frecuencia manejado por un amplificador puede especificarse en términos de ancho de banda (lo que normalmente implica una respuesta de 3  dB por debajo cuando la frecuencia alcanza el ancho de banda especificado), o especificando una respuesta de frecuencia que está dentro de un cierto número de decibelios entre un menor y una frecuencia superior (por ejemplo, "20 Hz a 20 kHz más o menos 1 dB").

Clases de amplificadores de potencia

Los circuitos amplificadores de potencia (etapas de salida) se clasifican como A, B, AB y C para diseños analógicos , y clase D y E para diseños de conmutación. Las clases de amplificadores de potencia se basan en la proporción de cada ciclo de entrada (ángulo de conducción) durante el cual un dispositivo amplificador pasa corriente. [35] La imagen del ángulo de conducción se deriva de amplificar una señal sinusoidal. Si el dispositivo está siempre encendido, el ángulo de conducción es de 360°. Si está encendido solo la mitad de cada ciclo, el ángulo es de 180°. El ángulo de flujo está estrechamente relacionado con la eficiencia de potencia del amplificador .

Ejemplo de circuito amplificador

Un diagrama de circuito electrónico que incluye resistencias, condensadores, transistores y diodos.
Un práctico circuito amplificador.

El circuito amplificador práctico que se muestra arriba podría ser la base para un amplificador de audio de potencia moderada. Presenta un diseño típico (aunque sustancialmente simplificado) como el que se encuentra en los amplificadores modernos, con una etapa de salida push-pull de clase AB , y utiliza una retroalimentación negativa general. Se muestran transistores bipolares, pero este diseño también sería realizable con FET o válvulas.

La señal de entrada se acopla a través del condensador C1 a la base del transistor Q1. El capacitor permite que pase la señal de CA , pero bloquea el voltaje de polarización de CC establecido por las resistencias R1 y R2 para que ningún circuito anterior se vea afectado por él. Q1 y Q2 forman un amplificador diferencial (un amplificador que multiplica la diferencia entre dos entradas por alguna constante), en un arreglo conocido como par de cola larga . Esta disposición se usa para permitir convenientemente el uso de retroalimentación negativa, que se alimenta desde la salida a Q2 a través de R7 y R8.

La retroalimentación negativa en el amplificador de diferencia permite que el amplificador compare la entrada con la salida real. La señal amplificada de Q1 se alimenta directamente a la segunda etapa, Q3, que es una etapa de emisor común que proporciona una mayor amplificación de la señal y la polarización de CC para las etapas de salida, Q4 y Q5. R6 proporciona la carga para Q3 (un mejor diseño probablemente usaría alguna forma de carga activa aquí, como un sumidero de corriente constante). Hasta ahora, todo el amplificador está operando en clase A. El par de salida está dispuesto en clase AB push-pull, también llamado par complementario. Proporcionan la mayor parte de la amplificación de corriente (mientras consumen una corriente de reposo baja) y conducen directamente la carga, conectada a través del condensador de bloqueo de CC C2. los diodosD1 y D2 proporcionan una pequeña cantidad de polarización de voltaje constante para el par de salida, simplemente llevándolos al estado de conducción para minimizar la distorsión cruzada. Es decir, los diodos empujan la etapa de salida firmemente al modo de clase AB (suponiendo que la caída del emisor base de los transistores de salida se reduce por la disipación de calor).

Este diseño es simple, pero es una buena base para un diseño práctico porque estabiliza automáticamente su punto de operación, ya que la retroalimentación opera internamente desde CC hasta el rango de audio y más allá. Probablemente se encontrarían más elementos de circuito en un diseño real que reduciría la respuesta de frecuencia por encima del rango necesario para evitar la posibilidad de una oscilación no deseada . Además, el uso de polarización de diodo fijo, como se muestra aquí, puede causar problemas si los diodos no coinciden eléctrica y térmicamente con los transistores de salida; si los transistores de salida se encienden demasiado, pueden sobrecalentarse fácilmente y destruirse, ya que la corriente completa de la fuente de alimentación no está limitada en esta etapa.

Una solución común para ayudar a estabilizar los dispositivos de salida es incluir algunas resistencias de emisor, generalmente de un ohmio más o menos. El cálculo de los valores de las resistencias y condensadores del circuito se realiza en función de los componentes empleados y el uso previsto del amplificador.

Notas sobre la implementación

Cualquier amplificador real es una realización imperfecta de un amplificador ideal. Una limitación importante de un amplificador real es que la salida que genera está limitada en última instancia por la potencia disponible de la fuente de alimentación. Un amplificador satura y recorta la salida si la señal de entrada se vuelve demasiado grande para que el amplificador la reproduzca o excede los límites operativos del dispositivo. La fuente de alimentación puede influir en la salida, por lo que debe tenerse en cuenta en el diseño. La potencia de salida de un amplificador no puede exceder su potencia de entrada.

El circuito amplificador tiene un rendimiento de "bucle abierto". Esto se describe mediante varios parámetros (ganancia, velocidad de respuesta , impedancia de salida , distorsión , ancho de banda , relación señal/ruido , etc.). Muchos amplificadores modernos utilizan técnicas de retroalimentación negativa para mantener la ganancia en el valor deseado y reducir la distorsión. La retroalimentación de bucle negativo tiene el efecto deseado de reducir la impedancia de salida y, por lo tanto, aumentar la amortiguación eléctrica del movimiento del altavoz en y cerca de la frecuencia de resonancia del altavoz.

Al evaluar la salida de potencia nominal del amplificador, es útil considerar la carga aplicada, el tipo de señal (p. ej., habla o música), la duración de salida de potencia requerida (p. ej., de corta duración o continua) y el rango dinámico requerido (p. ej., grabado o audio en vivo). En aplicaciones de audio de alta potencia que requieren cables largos hasta la carga (p. ej., cines y centros comerciales), puede ser más eficiente conectarse a la carga con voltaje de salida de línea, con transformadores correspondientes en la fuente y las cargas. Esto evita largas tiradas de pesados ​​cables de altavoz.

Para evitar la inestabilidad o el sobrecalentamiento, se requiere cuidado para garantizar que los amplificadores de estado sólido estén cargados adecuadamente. La mayoría tiene una impedancia de carga mínima nominal.

Todos los amplificadores generan calor a través de pérdidas eléctricas. El amplificador debe disipar este calor por convección o enfriamiento por aire forzado. El calor puede dañar o reducir la vida útil de los componentes electrónicos. Los diseñadores e instaladores también deben considerar los efectos de calentamiento en los equipos adyacentes.

Diferentes tipos de fuente de alimentación dan como resultado muchos métodos diferentes de polarización . La polarización es una técnica mediante la cual los dispositivos activos se configuran para operar en una región particular, o mediante la cual el componente de CC de la señal de salida se configura en el punto medio entre los voltajes máximos disponibles de la fuente de alimentación. La mayoría de los amplificadores utilizan varios dispositivos en cada etapa; por lo general, coinciden en especificaciones, excepto por la polaridad. Los dispositivos de polaridad invertida coincidente se denominan pares complementarios. Los amplificadores de clase A generalmente usan solo un dispositivo, a menos que la fuente de alimentación esté configurada para proporcionar voltajes tanto positivos como negativos, en cuyo caso se puede usar un diseño simétrico de dos dispositivos. Los amplificadores de clase C, por definición, usan un suministro de polaridad única.

Los amplificadores suelen tener varias etapas en cascada para aumentar la ganancia. Cada etapa de estos diseños puede ser un tipo diferente de amplificador para adaptarse a las necesidades de esa etapa. Por ejemplo, la primera etapa podría ser una etapa de clase A, alimentando una segunda etapa de empuje y tracción de clase AB, que luego impulsa una etapa de salida final de clase G, aprovechando las fortalezas de cada tipo y minimizando sus debilidades.

Véase también

Referencias

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Enlaces externos