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Tema 3:Amplificadores de pequeña señal

Índice

1 Conceptos de amplificación

2 Amplificadores monoetapa con transistores bipolares

3 Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo

4 Amplificadores multietapa

5 Amplificador diferencial

Conceptos de amplificación

1 Conceptos de amplificaciónParámetros que caracterizan un amplificadorTipos de amplificadoresAmplificadores acopladosAmplificador diferencialConfiguraciones básicas con transistores






Parámetros que caracterizan un amplificador

Definiciones

Un amplificador es un sistema que aumenta la potencia de una señal.

La señal proviene de una fuente y se aplica a una carga.Fu

ente

Amplificador

Car

ga+

−vi

+

−vo

ii io



FuentePodemos representar la fuente como de tensión o de corriente medianteequivalentes Thevenin o Norton.

vs

rs

−

+

vi

ii

is rs

−

+

vi

ii

CargaRepresentamos la carga como una resistencia.

−

+

vo

io

RL



Impedancia de entradaEs la relación entre la tensión y la corriente a la entrada del amplificador.

Ri

−

+

vi

ii

Ri =vi

ii



Ganancia e impedancia de salida

La salida del amplificador se puede representar mediante equivalentesThevenin o Norton.

v′o

Ro

−

+

vo

io

i′o Ro

−

+

vo

io

La tensión y corriente de salida son proporcionales a la tensión y corrientede entrada.

Ganancia de tensión a circuito abierto: AV0 =v′o

vi

Ganancia de corriente en cortocircuito: AI0 =i′o

ii

Ganancia de transconductancia en cortocircuito: Gm0 =i′o

vi

Ganancia de transimpedancia a circuito abierto: Zm0 =v′o

ii

La tensión y corriente en la salida se ven afectadas por la impedancia desalida, Ro.



Saturación

El amplificador proporciona señales amplificadas sólo para un cierto rangode amplitudes de entrada

Más allá de este rango la amplitud de la señal de salida permanececonstante: el amplificador se satura.

xi

xo



Linealidad

En la práctica la señal de salida no es proporcional a la de entrada.

Se asume aproximadamente lineal para un cierto rango de valores deentrada.

Fuera de este rango la señal se distorsiona.

xi

xo

Amp. idealAmp. real


Tipos de amplificadores

Amplificador de tensión

vs

rs

−

+

vi

iiFuente

Ri AV0vi

Ro

−

+

vo

ioAmplificador

RL

Carga

Ganancia de tensión

AV =vo

vi=

RL

Ro +RLAV0

A′V=vo

vs=

RL

Ro +RL

Ri

Ri + rsAV0

Amplificador de tensión ideal

Si Ri � rs y Ro � RL ⇒ A′V≈ AV ≈ AV0



Amplificador de corriente

is rs

−

+

vi

iiFuente

Ri AI0ii Ro

−

+

vo

ioAmplificador

RL

Carga

Ganancia de corriente

AI =io

ii=

Ro

Ro +RLAI0

A′I=io

is=

Ro

Ro +RL

rs

rs +RiAI0

Amplificador de corriente ideal

Si Ri � rs y Ro � RL ⇒ A′I≈ AI ≈ AI0



Amplificador de transconductancia

vs

rs

−

+

vi

iiFuente

Ri Gm0vi Ro

−

+

vo

ioAmplificador

RL

Carga

Ganancia de transconductancia

Gm =io

vi=

Ro

Ro +RLGm0

G′m

=io

vs=

Ro

Ro +RL

Ri

rs +RiGm0

Amplificador de transconductancia ideal

Si Ri � rs y Ro � RL ⇒ G′m≈ Gm ≈ Gm0



Amplificador de transimpedancia

is rs

−

+

vi

iiFuente

Ri Zm0ii

Ro

−

+

vo

ioAmplificador

RL

Carga

Ganancia de transimpedancia

Zm =vo

ii=

RL

Ro +RLZm0

Z′m

=vo

is=

RL

Ro +RL

rs

rs +RiZm0

Amplificador de corriente ideal

Si Ri � rs y Ro � RL ⇒ Z′m≈ Zm ≈ Zm0


Amplificadores acoplados

En ocasiones es necesario acoplar varios amplificadores en cascada:

Fuen

teAmplificador 1 Amplificador 2

Car

ga+

−vi,vi1

+

−vo1,vi2

+

−vo2,vo

ii,ii1 io1,ii2 io2,io

La carga del amplificador 1 es la resistencia de entrada del amplificador 2.

La fuente del amplificador 2 es la salida del amplificador 1.

Ganancia de tensión

AV =vo

vi= AV1AV2

Ganancia de corriente

AI =io

ii= AI1AI2

Impedancia de entrada

Ri =vi

ii= Ri1

Impedancia de salida

Ro = Ro2



Acoplamiento directo

Amplificador 1 Amplificador 2

Se utiliza principalmente en circuitos integrados.

El acoplamiento de diferentes etapas puede perturbar la polarización de lostransistores.



Acoplamiento capacitivo

Amplificador 1 Amplificador 2

Las diferentes etapas se encuentran separadas por condensadores deacoplamiento.

Las condiciones de polarización se mantienen.

Los condensadores modifican la respuesta en frecuencia.

Se utiliza en circuitos con componentes discretos.


Amplificador diferencial

Un amplificador diferencial amplifica la diferencia de dos señales de entrada.

En el caso ideal, la componente común a las dos señales de entrada no seamplifica.

Amplificadordiferencial

vi1

vi2

+

−

vo

vo = A1vi1 − A2vi2



Modo común y modo diferencialRedefinimos las magnitudes de entrada:

vid = vi1 − vi2

vic =vi1 + vi2

2

⇒vi1 = vic + vid/2

vi2 = vic − vid/2

�

vid: señal de entrada diferencialvic: señal de entrada común

Amplificadordiferencial

+vid/2

−vid/2

vic +

−

vo

vo = Advid +Acvic

Ad: ganancia en modo diferencialAc: ganancia en modo comúnIdealmente Ad � AcCMRR = Ad

Acrelación de rechazo del modo común


Configuraciones básicas con transistores

Configuraciones básicas con BJTsEmisor común Colector común Base común

+

−

+

−vi

vo

ii

io

+

−

+

−vi

vo

ii

io

+

−

+

−

vi vo

ii io

Configuraciones básicas con FETsFuente común Drenador común Puerta común

+

−

+

−vi

vo

ii

io

+

−

+

−vi

vo

ii

io

+

−

+

−

vi vo

ii io

Amplificadores monoetapa con transistores bipolares


2 Amplificadores monoetapa con transistores bipolaresEmisor comúnColector comúnBase común





Procedimiento general de análisisAnálisis del circuito de polarización

1 Eliminar las fuentes de señal. Mantener las de continua.

2 Sustituir los condensadores de acoplamiento y desacoplo por circuitosabiertos.

3 Sustituir los transistores por su modelo de continua.

4 Hallar el punto de polarización de cada transistor.

Parámetros de pequeña señal

5 De los datos de polarización del transistor, obtener los parámetros delmodelo de pequeña señal (rπ, gm. . . )

Análisis de pequeña señal

6 Eliminar las fuentes de continua, mantener las de señal.

7 Sustituir los condensador de acoplamiento y desacoplo por cortocircuitos.

8 Sustituir los transistores por su modelo de pequeña señal.

9 Hallar los parámetros que caracterizan el amplificador (Av, Ri. . . )


Emisor común

R2

R1

RE2

RE1

CE

RC

VCC

Q1

C2 vo

RL

C1

virs

vs

C1 y C2: condensadores de acoplamiento.

CE: condensador de desacoplo de RE2.


Emisor común

Circuito de polarización

R2

R1

RE

RC

Q1

VCC

Recta de carga estática

IC =VCC − VCERC +RE

Punto de trabajo

IC =VBB − VBERB/β+RE

VCE = VCC − IC(RC +RE)

conRE = RE1 +RE2

VBB =R2

R1 +R2VCC

RB = R1‖R2


Emisor común

Equivalente de pequeña señal

vs

rs

RB

rπ βib

RE1

RC RL

ii

ib

io

+

−

vi

+

−

vo

AV = −β(RC‖RL)

rπ + (β+ 1)RE1

Ri = RB‖[rπ + (β+ 1)RE1]

AI = −−β RCRB

RC+RL

rπ + (β+ 1)RE1 +RB

Ro = RC

Caso particular RE1 = 0Av = −gm(RC‖RL) Ri = RB‖rπ

Caso particular sin CE

Av ≈ −RC‖RLRE

Ri ≈ RB


Emisor común

Recta de carga dinámica

Recta de carga en pequeña señal:

ic = −vce

RC‖RL +RE1

Las componentes de señal seencuentran superpuestas a las decontinua:

iC = IQC + ic

vCE = VQCE + vce

)

Recta de carga dinámica:

iC = IQC +VQCE − vCE

RC‖RL +RE1

IC

VCE

Q

VQCE

IQC

vmaxCE

imaxC

Recta decarga estática

Recta decarga

dinámica


Emisor común

Punto de máxima excursión simétrica

La máxima amplitud de oscilación se obtiene cuando el punto de trabajoestá centrado en la recta de carga dinámica:

VmesCE

= vmaxCE

/2

ImesC

= imaxC

/2

«

Punto de máxima excursión simétrica (ImesC

,VmesCE

):

ImesC

=VCC

RC +RE +RC‖RL +RE1

VmesCE

=RC‖RL +RE1

RC +RE +RC‖RL +RE1VCC


Emisor común

Influencia de la resistencia de emisor en el circuito

El condensador CE puede desacoplar parcial (RE1 6= 0) o totalmente (RE1 = 0)la resistencia de emisor.

El condensador CE no modifica las condiciones de polarización.

Un aumento en la resistencia de emisor RE1 disminuye la ganancia yaumenta la impedancia de entrada.

La ganancia es más independiente de β con la resistencia de emisor sindesacoplar.


Colector común

R2

R1

RE

Q1

VCC

C2 vo

RL

C1

virs

vs

No es necesaria RC para la polarización del transistor ni para el buenfuncionamiento del amplificador.


Colector común

vs

rsRB

rπβib RE RL

ii ib io

+

−

vi

+

−

vo

AV =(β+ 1)(RE‖RL)

rπ + (β+ 1)(RE‖RL)< 1

AI =RB

RL

�

(β+ 1)(RE‖RL)

RB + rπ + (β+ 1)(RE‖RL)

�

Ri = RB‖[rπ + (β+ 1)(RE‖RL)

Ro = Re

�

rπ + rs‖RBβ+ 1

�

Punto de máxima excursiónsimétrica

ImesC

=

�

RE +RL

RE + 2RL

�

VCC

RE

VmesCE

=RL

RE + 2RLVCC


Base común

R2

R1

RC

RE

Q1

vs

rs

VCC

C1 vi

C3

RL

C2 vo

C3 desacopla R1 y R2 en pequeña señal, del mismo modo que lo hace CEcon RE en el amplificador en emisor común.


Base común

vs

rsRE rπ

βib

RC RL

ii

ib

io

+

−

vi

+

−

vo

AV = gm(RC‖RL)

AI =

�

RC

RC +RL

�

�

RE

RE + g−1m

�

< 1

Ri = RE‖g−1m

Ro = RC

Punto de máxima excursiónsimétrica:

ImesC

=VCC

RC‖RL +RC +RE

VmesCE

=RC‖RL

RC‖RL +RC +REVCC

Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo



3 Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campoFuente comúnDrenador comúnPuerta común




Fuente común

R2

R1

RS2

RS1

CS

RD

VDD

M1

C2 vo

RL

C1

virs

vs


Fuente común


vs

rs

RG

gmvgs

RS1

RD RL

ii io

+

−

vi

+

−

vo

+

−

vgs

AV = −gm(RD‖RL)

1+ gmRS1

Ri = RG

AI = −gm

RDRG

RD+RL

1+ gmRS1

Ro = RD


Drenador común

R2

R1

RS

M1

VDD

C2 vo

RL

C1

virs

vs


Drenador común

vs

rsRG gmvgs RS RL

ii io

+

−

vi

+

−

vo

+ −vgs

AV =gm(RS‖RL)

1+ gm(RS‖RL)< 1

Ri = RG

AI =gm

RSRG

RS+RL

1+ gm(RS‖RL)

Ro = RS‖g−m1


Puerta común

R2

R1

RD

RS

M1

vs

rs

VDD

C1 vi

C3

RL

C2 vo


Puerta común

vs

rsRS

gmvgs

RD RL

ii io

+

−

vi

+

−

vo

−

+

vgs

AV = gm(RD‖RL)

Ri = RS‖g−1m

AI =gm

RD

RD+RL

1/RS + gm

Ro = RD

Amplificadores multietapa




4 Amplificadores multietapaAmplificador cascodoAmplificador colector común-base comúnAmplificador colector común-emisor común



Cascodo(Emisor común -base común)

+

−

+

−vi

vo

ii

io

Colector común -base común +

−

+

−vi

vo

ii

io

Colector común -emisor común +

−

+

−vi

vo

ii

io


Amplificador cascodo

R1

R2

R3

RE

RC

Q1

Q2

CE

C1rs

vs

C2

C3

RL

VCC

vi

vo


Amplificador cascodo


vs

rsR1‖R2 rπ1 β1ib1 rπ2

β2ib2

RC RL

ii

ib1 ib2

io

+

−

vi

+

−

vo

AV ≈ −gm(RC‖RL)

Ri = R1‖R2‖rπ1

AI = −βRC

RC +RL

R1‖R2

R1‖R2 + rπ1≈ −β

Ro = RC


Amplificador colector común-base común

Q1 Q2

RC

rs

RL

C1

I0

vs

VDD VDD

−VDD

vi

vo


Amplificador colector común-base común

vs

rs rπ1

β1ib1 RoI rπ2

β2ib2

RC RL

ii ib1

ib2

io

+

−

vi

+

−

vo

Av ≈gm

2(RC‖RL)

Ri ≈ 2rπ

Ai ≈ β

Ro = RC


Amplificador colector común-emisor común

vs

rs viC1

R1

R2

Q1

Q2

RE1RE2 CE

RC2C2 vo

RL

VCC


Amplificador colector común-emisor común

vs

rsRB

rπ1

β1ib1 RE1 rπ2 β2ib2 RC RL

ii ib1

ib2

io

+

−

vi

+

−

vo

Av ≈ −gm(RC‖RL)

Ri ≈ RB‖[(β+ 2)rπ

Ai ≈ −β2

Ro = RC






5 Amplificador diferencialPar diferencial básico acoplado por emisorPar diferencial básico acoplado por fuenteAmplificador diferencial con salidas asimétricasAmplificador diferencial con degeneración de emisor


Par diferencial básico acoplado por emisor

Funcionamiento con señales grandes

Q1 Q2

RCRC

I

VCC VCC

−VCC

vi1 vi2

vo2vo1

vod = vo1 − vo2 = IRC tanh�

−vid

2VT

�

−VT

VT

−5VT

5VT

vid

vodIRC

−IRC



Funcionamiento en pequeña señal y modo diferencial

vid2

rπ βib1 βib2 rπ − vid2

RC RC

RoI

ib1 ib2

+ −vod

El potencial en el nodo de emisor es0 (tierra virtual).

El amplificador diferencial se reducea dos emisores comunes.

Ad = −gmRCRid = 2rπ

Rod = RC



Funcionamiento en pequeña señal y modo común

vic rπ βib1 βib2 rπ vic

RC RC

RoI

ib1 ib2

vo1 vo2

No existe la tierra virtual en elemisor en modo común.

Ac = −gmRC

1+ 2gmRoIRic ≈ rπ/2+ (β+ 1)RoI

Roc = RCCMRR = 1+ 2gmRoI


Par diferencial básico acoplado por fuente

Funcionamiento con señales grandes

M1 M2

RDRD

I

VDD VDD

−VDD

vi1 vi2

vo2vo1

vod = −2�

I

VGS − VT

�

vid

2

√

√

√

1−�

vid/2

VGS − VT

�2

−(VGS − VT)

VGS − VT

vid

vodIRD

−IRD



Funcionamiento en pequeña señal y modo diferencial

vid2

gmvgs1 gmvgs2 − vid2

RD RD

RoI

+

−

vgs1

+

−

vgs2

+ −vod

El potencial en el nodo de fuente es0 (tierra virtual).

El amplificador diferencial se reducea dos fuentes comunes.

Impedancia de entrada mejoradacon respecto al par diferencial conBJTs.

Ad = −gmRDRid =∞

Rod = RD



Funcionamiento en pequeña señal y modo común

vic gmvgs1 gmvgs2 vic

RD RD

RoI

+

−

vgs1

+

−

vgs2

vo1 vo2

No existe la tierra virtual en lafuente en modo común.

Ac = −gmRD

1+ 2gmRoIRic =∞

Rod = RDCMRR = 1+ 2gmRoI


Amplificador diferencial con salidas asimétricas

M1 M2

RD

I

VDD VDD

−VDD

vi1 vi2

vo2En modo diferencial:

Ad = gmRD/2

En modo común:

Ac = −gmRD

1+ 2gmRoI

Se suprime la resistencia de drenador del lado izquiero porque no esnecesaria para el buen funcionamiento del circuito y ocupa espacio en elcircuito integrado.

La salida puede ser amplificada por un amplificador de una sola entrada.


Amplificador diferencial con degeneración de emisor

Q1 Q2

RCRC

RERE

I

VCC VCC

−VCC

vi1 vi2

vo2vo1

En modo diferencial:

Ad = −βRC

rπ + (β+ 1)RE

Rid = 2rπ + 2(β+ 1)RE

En modo común:

Ac = −βRC

rπ + (β+ 1)(RE + 2RoI)

Ric = (rπ + (β+ 1)RE)/2+ (β+ 1)RoI

La impedancia de entrada aumenta a costa de disminuir la ganancia detensión diferencial.

tema 3: ampliﬁcadores de pequeña...

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