tema 1a amplificadores -...

Tema 1AAmplificadores

Prof. A. Roldán Aranda

1º Ing. Informática

§ Introducción

§ Equivalente de Thevenin de un amplificador

Ø Definición de impedancia de entrada y salida

§ Respuesta en frecuencia de un amplificador

§ Amplificadores realimentados

Ø Realimentación positiva y negativa

Ø El amplificador diferencial ideal realimentado

Conceptos generales de amplificación

Electrónica de comunicaciones

Tipos de electrónica - I

Electrónica Analógica

Tipos de electrónica - II

Electrónica Digital

Instrumentación Electrónica,

Bioelectrónica...

Tipos de electrónica - III

Electrónica de Dispositivos y

Microelectrónica

A

B

Electrónica de Potencia

Objetivo: Manejar y extraer información presente en una magnitud eléctrica

Señal con informaciónSensor, Antena,etc.

CircuitoAnalógico

üAmplificarüFiltrarüAislarüNormalizarüConversiones (v/v, V/i, i/v, v/f, f/v,....)üCaptura de picoü.....

V

tEJEMPLO:

TratamientoAnalógico

Señal AM(Débil, antena)

VSVE

Altavoz(Señal Fuerte)

ELEMENTO CLAVE EN ELECTRÓNICA

ANALÓGICA:

AMPLIFICADOR ELECTRÓNICO

Introducción

Objetivo: Manejar y extraer información presente en una magnitud eléctrica

volPower Amp

kerout in microphone amplifier loudspeaSound Sound Response Gain Response=

kermicrophone amplifier loudspeaTransferFunction Response Gain Response=

Introducción: Ejemplo Sonido

Tecnología: es el conjunto de habilidades que permiten construir objetos ymáquinas para adaptar el medio y satisfacer nuestras necesidades.

Etimología:Es una palabra de origen griego, τεχνολογος, formada por tekne (τεχνη, "arte, técnica u oficio") y logos (λογος, "conjunto de saberes").

Aunque hay muchas tecnologías muy diferentes entre sí, es frecuente usar el término en singular para referirse a una cualquiera de ellas o al conjunto de todas.

Cuando se lo escribe con mayúscula, TECNOLOGÍA puede referirse:

•Disciplina teórica que estudia los saberes comunes a todas las tecnologías

•Educación tecnológica, la disciplina abocada a la familiarización con las tecnologías más importantes.

DEFINICIÓN: Tecnología

La actividad tecnológica influye en el progreso social y económico, pero también ha producido el deterioro de nuestro entorno (biosfera).

Las tecnologías pueden ser usadas para proteger el medio ambiente y para evitar que las crecientes necesidades provoquen un agotamiento o degradación de los recursos materiales y energéticos de nuestro planeta.

Evitar estos males es tarea no sólo de los gobiernos, sino de todos.

Se requiere para ello una buena enseñanza-aprendizaje de la tecnología en los estudios de enseñanza media o secundaria y más aun en la UNIVERSIDAD y buena difusión de:

• La historia.• Los problemas.• Diagnósticos.• Propuestas de solución en cada momento de la evolución.

Implicaciones de la Tecnología

V

tContinua

V

t

Senoidal

V

tArbitraria

La tensión (VE) o la corriente (IE) de entrada a un amplificador puede tener una forma cualquiera.

REPRESENTACIÓN EN EL TIEMPO

El teorema de Fourier indica: "Cualquier señal eléctrica podemos descomponerla en nivel de continua

más una suma de señales senoidales”

Si podemos determinar como se comporta un amplificador ante continua y senoidales de cualquier frecuencia, podemos determinar como se comporta ante

cualquier señal.

Formas de Onda

Modelo Ideal

Ø Un amplificador se modela por ganancia G en:

ü Tensión: vo=Gv vi

ü Corriente: io=Gi iiü Potencia: Po=GP Pi

vi vo=Gvvi

V

tContinua

V

t

Senoidal

V

tArbitraria

REPRESENTACIÓN EN EL TIEMPO

REPRESENTACIÓN EN FRECUENCIA

(ESPECTRO)

V

fContinuaDC

V

f

Senoidalf1

V

fArbitraria

f1 f2DC

En el mundo de la Electrónica Analógica, las representaciones en frecuencia son mucho más cómodas (p.e. Música, comunicaciones, etc.).

En una primera aproximación supondremos que la entrada al amplificador es senoidal de una frecuencia genérica.

Formas de Onda en t vs. f

FOURIER

IDEAS BÁSICAS DE AMPLIFICACIÓN

AMPLIFICADOR+

-US

+

-UE

¿Que es un amplificador?Dispositivo capaz de elevar el nivel de potencia de una señal.

(En nuestro caso eléctrica: V o I)

Fuente de señal(Información)

Carga

RL

Objetivo ideal

PE = 0 y PS = ∞

La información en la fuente de señal puede estar presente en forma de:

• Tensión (VE)

• Corriente (IE)

A la salida (en la carga), la información se puede entregar (con mayor potenciacon mayor potencia) pero en forma de:

Ø Tensión (VS)

Ø Corriente (IS)

Corriente (IS)Amplificador de Corriente (I/I)Corriente (IE)

Tensión (US)Amplificador de Trans-resistencia (V/I)

Corriente (IE)

Corriente (IS)Amplificador de Trans-conductancia (I/V)

Tensión (UE)

Tensión (US)Amplificador de tensión (V/V)Tensión (UE)

Información de SalidaTipo de AmplificadorInformación de Entrada

TIPOS DE AMPLIFICADORES

TIPOS DE AMPLIFICADORES

UE

+

-

US

+

-

+

A UE

RL

Carga

RE = ∞ RS = 0 A = ganancia de tensión

AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN

UE

+

-

+

G UE

RL

CargaRE = ∞ RS = ∞G = ganancia de transconductancia

AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANSCONDUCTANCIA

IS

IEAI IE

RL

Carga

RE = 0 RS = ∞AI = ganancia de corriente

AMPLIFICADOR IDEAL DE CORRIENTE

IS

IE

RE = 0 RS = 0 R = ganancia de transresistencia

AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANSRESISTENCIA

US

+

-

+

R IE

RL

Carga

Amplificador ideal de tensión

UE

+

-

US

+

-

+

A UE

RL

Carga

A = ganancia de tensión

Características del amplificador ideal de tensión:

• No consume corriente en la entrada

• La tensión de salida no depende de la carga

• La ganancia de tensión A es constante e independiente de la frecuencia

Calcula la ganancia de TENSIÓN, CORRIENTE y POTENCIA ?

Ejemplo de Amplificador - I

CDvol

Ø Un amplificador HI-FI amplifica un tono sinusoidal de amplitud 1V sobre 600Ω a 100W sobre un altavoz de 8Ω de impedancia (que podemos asumir como resistiva pura).

±1 V pico

100 WPower Amp

8Ω

CD600R

600R 8R

Power AmpCD player

600 Ω

ü Ganancia en Tensión:

40

40100.8.222

,

,

,

2,

==

===⇒=

peaki

peakov

oopeakoo

peakoo

vv

G

PRvR

vP

3000600.5600

18

100.2

,

2

,

, =====

i

peaki

oo

peaki

peakoi

Rv

RP

ii

G

000,120600.2

1100

22,

====

i

peaki

o

i

oP

RV

PPPG

En dB:dB

PPG

i

oP 8.50log10 10 =

=

ivP GGG =NB:

ü Ganancia en Corriente y Potencia:2

2I RP =

Ejemplo de Amplificador - II

¿De dónde sale el 2 ?

Equivalente de Thevenin de un amplificador real

Admitiendo excitación senoidal y aunque el amplificador es un circuito complejo(transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc) podemos caracterizar el amplificador con ayuda de tres elementos:

• Dos impedancias (Impedancia de entrada RE ó RIN y de salida RS ó ROUT)

• Una ganancia (de tensión en vació o de corriente en cortocircuito)

El conjunto de estos parámetros permite obtener un equivalente eléctrico sencillo del amplificador (EQUIVALENTE THEVENIN).

UE

+

-

US

+

-

+

A VERE

RS

Arquitectura Interior de un amplificador real

El amplificador es un circuito complejo (transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc) pero podemos caracterizarlo con ayuda de tres elementos:

• RIN • ROUT• AV

Equivalente de Thevenin de un amplificador real -I

IMPEDANCIA DE ENTRADAIMPEDANCIA DE ENTRADA (RE)

UE

+

-

RE

IE

E

EEIN I

URR ==

Si la entrada es en tensión, nos interesa:

RE = ∞ (La mas grande posible)

Si la entrada es corriente, nos interesa:

IE = 0 (Lo mas pequeña posible)

(VS)O.C

+

-

+A · UE

Tensión de vacío proporcional a la entrada

A = Ganancia de tensión en vacío

Equivalente de Thevenin de un amplificador real -II

Ganancia de TensiGanancia de Tensióón en n en Circuito Abierto (Circuito Abierto (O.CO.C.).)

UE

+

-

RE

IE

SALIDAENTRADA

(US)O.C.

+

-

(IS)S.C

..

.

)()(

CSS

COSS I

UR =

Mide la capacidad de entregar potencia del amplificador.

Si la salida es en tensión, nos interesará RS = 0 (pequeña)

VS

+

-

+

A UE

ZS Representación para un equivalente de salida en tensión

Equivalente de Thevenin del amplificador real -III

IMPEDANCIA DE SALIDAIMPEDANCIA DE SALIDA

Qué nos interesará Si la salida es en CORRIENTE

Respuesta en frecuencia de un amplificador - I

En todo amplificador aparecen elementos reactivos (condensadores, inductancias, etc). Unos introducidos por nosotros para realizar una cierta función (p.e. eliminar continua, filtrar, etc) y otros muchos parásitos (inductancia de cables, capacidades parásitas de uniones PN, etc)

DIAGRAMA DE BODE: la representación de la variación de ganancia de un amplificador con la frecuencia (módulo y argumento)

|A| = MÓDULO = Relación de amplitudes

= ARGUMENTO = Desfase VE

VS

Relación de amplitudes(MÓDULO)

θ

Desfase(ARGUMENTO)

A

10

1

Ganancia

f

90º

0º

Desfase

f

-90º

Normalmente la escala de frecuencias es logarítmica

-2 -1 0 1 2 3 4 [log f]

[f]0.01 0.1 1 10 100 1K 10K

Notar que la frecuencia 0 (DC-continua) en una escala logarítmica está en -∞

DÉCADA

La Ganancia se representa también habitualmente en una escala logarítmica especial (dB = Decibelios)

[ ][ ][ ]ωjAAbsAUUdB

E

S log20log20log20 =⋅=⋅=

Respuesta en frecuencia de un amplificador - II

DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE

Ingeniero Americano: • (24 December 1905 – 21 June 1982)• Madison, Wisconsin. • Trabajó en los Bell Labs de New York City• He began his career as designer of electronic filters and

equalizers.• In 1929, he was assigned to the Mathematical Research Group.• Sponsored by Bell Laboratories he reentered graduate school, this time at

Columbia University, and he successfully completed his Ph.D. in physics in 1935. • In 1938 he developed his asymptotic phase and magnitude plots

• Bode Plots enabled engineers to investigate time domain stability using the frequency domain concepts of gain and phase margin, the study of which was aided by his now famous plots.

Hendrik Wade Bode

Padre de BODE Padre de BODE PlotsPlots

Hendrik Wade Bode

Lista de PATENTESLista de PATENTES

LogLinearPlot20 Log10, Abs11 1 I , , 0.01, 100

0.1 1 10 100

30

20

10

0

Ejemplo MATHEMATICA - BODE


In[12]:= LogLinearPlotArg11 1 I , , 0.01, 100

Out[12]=

0.1 1 10 100

20

40

60

80

In[10]:= hfuncs : 11 1 I ;LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100, PlotLabel SequenceForm"Bode Plot for ", hfuncs

Out[11]=

0.1 1 10 100

30

20

10

0

Bode Plot for1

1



In[14]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,PlotRange 40, 40,Axes False,Frame True,FrameLabel "RC", "dB",RotateLabel False,GridLines Automatic,PlotStyle AbsoluteThickness3,AspectRatio 0.3,ImageSize 800

Out[14]=

0.01 0.1 1 10 10040

20

0

20

40

RC

dB



In[17]:= LogLinearPlotArg11 1 I , , 0.01, 100,PlotRange 90, 0,Axes False,Frame True,FrameLabel "RC", "dB",RotateLabel False,GridLines Automatic,PlotStyle AbsoluteThickness3,AspectRatio 0.3,ImageSize 800

Out[17]=

0.01 0.1 1 10 1000

20

40

60

80

RC

dB



In[24]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,PlotRange 40, 40,Axes False,Frame True,FrameLabel "RC", "dB",RotateLabel False,GridLines Automatic,PlotStyle AbsoluteThickness3, RGBColor1, 0, 0,AspectRatio 0.3,ImageSize 800

Out[24]=

0.01 0.1 1 10 10040

20

0

20

40

RC

dB



In[28]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI , , 0.01, 100,PlotRange 40, 40,Axes False,Frame True,FrameLabel "dB", Amplitud, "RC", Frecuencia,RotateLabel True,GridLines Automatic,PlotStyle AbsoluteThickness3, RGBColor1, 0, 0,AspectRatio 0.3,ImageSize 800

Out[28]=

0.01 0.1 1 10 10040

20

0

20

40

RC

dB

Frecuencia

Ampl

itud



Respuesta en frecuencia de un amplificador

Si la potencia se entrega sobre cargas iguales:

A = Punto donde se mide la ganancia respecto de B

B = Punto referencia del circuito

Definición de ganancia de potencia en decibelios (dB) :

( )B

A10P P

Plog10dBA ⋅=

⋅=

B

A10 V

Vlog202

B

A10 V

Vlog10

⋅=

LOAD

2B

LOAD

2A

10

RV

RV

log10 ⋅=( )B

A10P P

Plog10dBA ⋅=

Definición de ganancia de tensión en dB:

( )

⋅=

B

A10u V

Vlog20dBA

COMENTARIOS COMENTARIOS dBdB

Se cumplen las siguientes relaciones:

Amplificadores realimentados - I

AVE VS

βVR

-

VC=VE -VR

VR = VS · β

VS = VC · AV = ( VE- VR ) · AV

VS = ( VE - VS · β ) · AV è VS = VE ·AV

1 + AV · β

Ganancia del amplificador realimentado

SALID

A

ENTR

AD

ARE-ALIMENTACIÓN

Tipos de realimentación:

VS = VE ·A

1 + A · β

Ganancia de lazo

• Realimentación negativa: A · β > 0

• Realimentación positiva: A · β < 0

Caso particular: A · β = -1 ( ¡ realimentación crítica !)

Ganancia del sistema realimentado infinita: à Aunque se tenga VE = 0, puede haber señal de salida

Amplificadores realimentados - II

AVE VS

βVR

-

VE -VR

Por ejemplo:

A > 0 y β > 0

Si por cualquier perturbación la salida se incrementa:VS ↑è VR ↑ è VE -VR ↓ è VS ↓

La realimentación tiende a compensar las perturbaciones de la salida

Amplificadores realimentados - III

Realimentación negativa: A · β > 0

AVE VS

βVR

-

VE -VR

Por ejemplo:

A > 0 y β < 0

Si por cualquier perturbación la salida se incrementa:VS ↑è VR ↓ è VE -VR ↑ è VS ↑

La realimentación tiende a amplificar las perturbaciones de la salida.

Amplificadores realimentados - IV

Realimentación Positiva: A · β < 0

Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0

VE

Motor DC

Tacómetro

Amplificadores realimentados - V


VE

Motor DC

Tacómetro

Freno

-

Referencia

Error

Amplificadores realimentados - VI


Motor DC

Tacómetro

Freno

-

Referencia

VE

Error

La realimentación negativa tiende a compensar las variaciones de la salida.

Amplificadores realimentados - VII

Motor +

cargareferencia Velocidad

de giro

Tacómetro + circuitería

-


Este sistema equivale a:

Amplificadores realimentados - VIII

Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0

Motor DC

Tacómetro

Freno

-

Referencia

-1

Amplificadores realimentados - IX

Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0

Motor DC

Tacómetro

Freno

-

Referencia

-1

error ↓

La realimentación positiva tiende a aumentar las variaciones de la salida (se para o se acelera).

Amplificadores realimentados - X

Referencias Utilizadas

Material de ELECTRÓNICA Y AUTOMATISMOS de 2º Curso de Instalaciones Electromecánicas Mineras del Profesor: Javier Ribas Bueno

Material de Signals and Systems del Professor Dr. Andy Harvey de la Heriot Watt University de

tema 1a amplificadores -...

Documents