Comprensión de los circuitos amplificadores

En general, un amplificador puede definirse como un circuito diseñado para impulsar una señal de entrada de baja potencia aplicada a una señal de salida de alta potencia, según la clasificación especificada de los componentes.

Aunque la función básica sigue siendo la misma, los amplificadores podrían clasificarse en diferentes categorías según su diseño y configuraciones.

Circuitos para amplificar entradas lógicas

Es posible que haya encontrado amplificadores de un solo transistor que están configurados para operar y amplificar una lógica de señal baja desde dispositivos de detección de entrada como LDR, fotodiodos , Dispositivos IR. La salida de estos amplificadores se utiliza para chanclas o un relé ON / OFF en respuesta a las señales de los dispositivos sensores.

Es posible que también haya visto pequeños amplificadores que se utilizan para preamplificar una entrada de música o audio, o para operar una lámpara LED.
Todos estos pequeños amplificadores se clasifican como pequeños amplificadores de señal.

Tipos de amplificadores

Principalmente, los circuitos amplificadores se incorporan para amplificar una frecuencia musical de manera que la pequeña entrada de música alimentada se amplifica en muchos pliegues, normalmente de 100 a 1000 veces y se reproduce a través de un altavoz.

Dependiendo de su vataje o potencia nominal, dichos circuitos pueden tener diseños que van desde pequeños amplificadores de señal pequeños basados ​​en amplificadores operacionales hasta amplificadores de señal grandes que también se denominan amplificadores de potencia. Estos amplificadores se clasifican técnicamente en función de sus principios de funcionamiento, etapas del circuito y la forma en que que pueden configurarse para procesar la función de amplificación.

La siguiente tabla nos proporciona los detalles de clasificación de los amplificadores en función de sus especificaciones técnicas y principio de funcionamiento:

En un diseño de amplificador básico, encontramos que en su mayoría incluye algunas etapas que tienen redes de transistores bipolares o BJT, transistores de efecto de campo (FET) o amplificadores operacionales.

Dichos bloques o módulos amplificadores podrían verse con un par de terminales para alimentar la señal de entrada y otro par de terminales en la salida para adquirir la señal amplificada a través de un altavoz conectado.

Uno de los terminales de estos dos son los terminales de tierra y podría verse como una línea común entre las etapas de entrada y salida.

Tres propiedades de un amplificador

Las tres propiedades importantes que debe tener un amplificador ideal son:

• Resistencia de entrada (Rin)
• Resistencia de salida (Rout)
• Ganancia (A) que es el rango de amplificación del amplificador.

Comprender el funcionamiento de un amplificador ideal

La diferencia en la señal amplificada entre la salida y la entrada se denomina ganancia del amplificador. Es la magnitud o la cantidad en la que el amplificador puede amplificar la señal de entrada a través de sus terminales de salida.

Tomemos, por ejemplo, si un amplificador está clasificado para procesar una señal de entrada de 1 voltio en una señal amplificada de 50 voltios, entonces diríamos que el amplificador tiene una ganancia de 50, es tan simple como eso.
Esta mejora de una señal de entrada baja a una señal de salida más alta se denomina ganar de un amplificador. Alternativamente, esto puede entenderse como un aumento de la señal de entrada en un factor de 50.

Ratio de ganancia Por lo tanto, la ganancia de un amplificador es básicamente la relación entre los valores de entrada y salida de los niveles de señal, o simplemente la potencia de salida dividida por la potencia de entrada, y se atribuye con la letra 'A' que también significa la potencia de amplificación del amplificador.

Tipos de ganancias del amplificador Los diferentes tipos de ganancias del amplificador se pueden clasificar como:

1. Ganancia de voltaje (apagado)
2. Ganancia actual (Ai)
3. Ganancia de potencia (Ap)

Fórmulas de ejemplo para calcular las ganancias del amplificador Dependiendo de los 3 tipos de ganancias anteriores, las fórmulas para calcularlas se pueden aprender de los siguientes ejemplos:

1. Ganancia de voltaje (Av) = Voltaje de salida / Voltaje de entrada = Vout / Vin
2. Ganancia de corriente (Ai) = Corriente de salida / Corriente de entrada = Iout / Iin
3. Ganancia de potencia (Ap) = Av.x.A I

Para calcular la ganancia de potencia, alternativamente también puede usar la fórmula:
Ganancia de potencia (Ap) = Potencia de salida / Potencia de entrada = Aout / Ain

Sería importante señalar que el subíndice p, v, yo que se utilizan para calcular la potencia se asignan para identificar el tipo específico de ganancia de señal en la que se está trabajando.

Expresando decibelios

Encontrará otro método para expresar la ganancia de potencia de un amplificador, que es en decibelios o (dB).
La medida o la cantidad Bel (B) es una unidad logarítmica (Base 10) que no tiene unidad de medida.
Sin embargo, un Decibel podría ser una unidad demasiado grande para un uso práctico, por lo tanto, utilizamos la versión reducida en decibelios (dB) para los cálculos del amplificador.
Aquí hay algunas fórmulas que se pueden emplear para medir la ganancia del amplificador en decibelios:

1. Ganancia de voltaje en dB: apagado = 20 * log (apagado)
2. Ganancia de corriente en dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Ganancia de potencia en dB: ap = 10 * log (Ap)

Algunos datos sobre la medición de dB
Sería importante tener en cuenta que la ganancia de potencia de CC de un amplificador es 10 veces el logaritmo común de su relación de salida / entrada, mientras que las ganancias de corriente y voltaje son 20 veces el logaritmo común de sus relaciones.

Esto implica que debido a que se trata de una escala logarítmica, una ganancia de 20 dB no puede considerarse el doble de 10 dB, debido a la característica de medición no lineal de las escalas logarítmicas.

Cuando la ganancia se mide en dB, los valores positivos significan ganancia del amplificador, mientras que un valor de dB negativo indica una pérdida de ganancia del amplificador.

Por ejemplo, si se identifica una ganancia de + 3dB, indica una ganancia de 2 veces o x2 de la salida particular del amplificador.

Por el contrario, si el resultado es -3dB, indica que el amplificador tiene una pérdida del 50% de ganancia o una medida de pérdida de x0,5 en su ganancia. Esto también se conoce como punto de media potencia, lo que significa -3dB por debajo de la potencia máxima alcanzable, con respecto a 0dB, que es la salida máxima posible del amplificador.

Cálculo de amplificadores

Calcule el voltaje, la corriente y la ganancia de potencia de un amplificador con las siguientes especificaciones: Señal de entrada = 10mV @ 1mA Señal de salida = 1V @ 10mA. Además, averigüe la ganancia del amplificador usando valores en decibelios (dB).

Solución:

Aplicando las fórmulas aprendidas anteriormente, podemos evaluar los diferentes tipos de ganancias asociadas con el amplificador según las especificaciones de entrada y salida disponibles:

Ganancia de voltaje (Av) = Voltaje de salida / Voltaje de entrada = Vout / Vin = 1 / 0.01 = 100
Ganancia de corriente (Ai) = Corriente de salida / Corriente de entrada = Iout / Iin = 10 / 1 = 10
Ganancia de potencia (Ap) = Av. x A I = 100 x 10 = 1000

Para obtener los resultados en decibelios, aplicamos las fórmulas correspondientes como se indica a continuación:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Subdivisiones de amplificador

Amplificadores de señal pequeña: Con respecto a las especificaciones de ganancia de voltaje y potencia de un amplificador, nos es posible subdividirlas en un par de categorías diversas.

El primer tipo se denomina amplificador de pequeña señal. Estos pequeños amplificadores de señal se utilizan generalmente en etapas de preamplificador, amplificadores de instrumentación, etc.

Estos tipos de amplificadores se crean para manejar niveles de señal diminutos en sus entradas, dentro del rango de algunos microvoltios, como los de dispositivos sensores o pequeñas entradas de señales de audio.

Amplificadores de señal grandes: El segundo tipo de amplificadores se denominan grandes amplificadores de señal y, como su nombre lo indica, se emplean en aplicaciones de amplificadores de potencia para lograr grandes rangos de amplificación. En estos amplificadores, la señal de entrada es de magnitud relativamente mayor, de modo que podrían amplificarse sustancialmente para reproducirlas y convertirlas en potentes altavoces.

Cómo funcionan los amplificadores de potencia

Dado que los pequeños amplificadores de señal están diseñados para procesar pequeños voltajes de entrada, estos se conocen como pequeños amplificadores de señal. Sin embargo, cuando se requiere que un amplificador funcione con aplicaciones de alta corriente de conmutación en sus salidas, como operar un motor o operar subwoofers, un amplificador de potencia se vuelve inevitable.

Más popularmente, los amplificadores de potencia se emplean como amplificadores de audio para controlar grandes altavoces y para lograr grandes amplificaciones de nivel de música y salidas de volumen.

El amplificador de potencia requiere alimentación de CC externa para su funcionamiento, y esta potencia de CC se utiliza para lograr la amplificación de alta potencia deseada en su salida. La energía de CC generalmente se obtiene a través de fuentes de alimentación de alto voltaje de alta corriente a través de transformadores o unidades basadas en SMPS.

Aunque los amplificadores de potencia pueden aumentar la señal de entrada más baja a señales de salida alta, el procedimiento en realidad no es muy eficiente. Esto se debe a que en el proceso se desperdicia una cantidad sustancial de energía de CC en forma de disipación de calor.

Sabemos que un amplificador ideal produciría una salida casi igual a la potencia consumida, resultando en una eficiencia del 100%. Sin embargo, prácticamente esto parece bastante remoto y puede que no sea factible, debido a las pérdidas inherentes de CC de los dispositivos de potencia en forma de calor.

Eficiencia de un amplificador De las consideraciones anteriores, podemos expresar la eficiencia de un amplificador como:

Eficiencia = Potencia de salida del amplificador / Consumo de CC del amplificador = Pout / Pin

Amplificador ideal

Con referencia a la discusión anterior, es posible que podamos describir las principales características de un amplificador ideal. Son específicamente como se explica a continuación:

La ganancia (A) de un amplificador ideal debe ser constante independientemente de la variación de la señal de entrada.

1. La ganancia permanece constante independientemente de la frecuencia de la señal de entrada, lo que permite que la amplificación de salida no se vea afectada.
2. La salida del amplificador está libre de cualquier tipo de ruido durante el proceso de amplificación, por el contrario, incorpora una función de reducción de ruido que cancela cualquier posible ruido introducido a través de la fuente de entrada.
3. No se ve afectado por los cambios en la temperatura ambiente o la temperatura atmosférica.
4. El uso prolongado tiene un efecto mínimo o nulo en el rendimiento del amplificador y se mantiene constante.

Clasificación de amplificador electrónico

Ya sea un amplificador de voltaje o un amplificador de potencia, estos se clasifican según sus características de señal de entrada y salida. Esto se hace analizando el flujo de corriente con respecto a la señal de entrada y el tiempo necesario para que llegue a la salida.

Según la configuración de su circuito, los amplificadores de potencia se pueden clasificar en orden alfabético. Se les asignan diferentes clases operativas como:

Clase A'
Clase B'
Clase C'
Clase 'AB' y así sucesivamente.

Estos pueden tener propiedades que van desde una respuesta de salida casi lineal pero de baja eficiencia hasta una respuesta de salida no lineal con alta eficiencia.

Ninguna de estas clases de amplificadores se puede distinguir como más pobre o mejor que la otra, ya que cada una tiene su propia área de aplicación específica según el requisito.

Puede encontrar eficiencias de conversión óptimas para cada uno de estos, y su popularidad se puede identificar en el siguiente orden:

Amplificadores de clase 'A': la eficiencia es menor, por lo general, menos del 40%, pero puede mostrar una salida de señal lineal mejorada.

Amplificadores de clase 'B': La tasa de eficiencia puede ser el doble que la de la clase A, prácticamente alrededor del 70%, debido a que solo los dispositivos activos del amplificador consumen energía, provocando solo un 50% de uso de energía.

Amplificadores de clase AB: los amplificadores de esta categoría tienen un nivel de eficiencia entre el de la clase A y el de la clase B, pero la reproducción de la señal es más pobre en comparación con la clase A.

Amplificadores de clase 'C': se considera que son excepcionalmente eficientes en términos de consumo de energía, pero la reproducción de la señal es peor con mucha distorsión, lo que provoca una reproducción muy deficiente de las características de la señal de entrada.

Cómo funcionan los amplificadores de clase A:

Los amplificadores de clase A tienen transistores polarizados idealmente dentro de la región activa, lo que hace posible que la señal de entrada se amplifique con precisión en la salida.

Debido a esta característica de polarización perfecta, nunca se permite que el transistor se desvíe hacia sus regiones de corte o sobresaturación, lo que hace que la amplificación de la señal se optimice correctamente y se centre entre las limitaciones superior e inferior especificadas de la señal, como se muestra a continuación. imagen:

En la configuración de clase A, se aplican conjuntos idénticos de transistores en dos mitades de la forma de onda de salida. Y dependiendo del tipo de polarización que emplee, los transistores de potencia de salida siempre se representan en la posición de encendido, independientemente de si la señal de entrada se aplica o no.

Debido a esto, los amplificadores de clase A obtienen una eficiencia extremadamente baja en términos de consumo de energía, ya que la entrega real de energía a la salida se ve obstaculizada debido al desperdicio excesivo a través de la disipación del dispositivo.

Con la situación explicada anteriormente, se puede ver que los amplificadores de clase siempre tienen transistores de potencia de salida sobrecalentados incluso en ausencia de una señal de entrada.

Incluso cuando no hay señal de entrada, se permite que la CC (Ic) de la fuente de alimentación fluya a través de los transistores de potencia, que puede ser igual a la corriente que fluye a través del altavoz cuando hay una señal de entrada. Esto da lugar a transistores 'calientes' continuos y pérdida de energía.

Funcionamiento del amplificador de clase B

A diferencia de la configuración de amplificador de clase A que depende de transistores de potencia únicos, la clase B utiliza un par de BJT complementarios en cada mitad de las secciones del circuito. Estos podrían estar en forma de NPN / PNP, o mosfet de canal N / mosfet de canal P).

Aquí, se permite que uno de los transistores conduzca en respuesta al medio ciclo de forma de onda de la señal de entrada, mientras que el otro transistor maneja el otro medio ciclo de la forma de onda.

Esto asegura que cada transistor en el par conduzca durante la mitad del tiempo dentro de la región activa y la mitad del tiempo en la región de corte, permitiendo así solo una participación del 50% en la amplificación de la señal.

A diferencia de los amplificadores de clase A, en los amplificadores de clase B, los transistores de potencia no están polarizados con una CC directa, sino que la configuración garantiza que conduzcan solo mientras la señal de entrada supera el voltaje del emisor base, que podría ser de alrededor de 0,6 V para los BJT de silicio.

Esto implica que, cuando no hay señal de entrada, los BJT permanecen apagados y la corriente de salida es cero. Y debido a esto, solo el 50% de la señal de entrada puede ingresar a la salida en cualquier instancia, lo que permite una tasa de eficiencia mucho mejor para estos amplificadores. El resultado se puede ver en el siguiente diagrama:

Dado que no hay una participación directa de CC para polarizar los transistores de potencia en los amplificadores de clase B, para iniciar la conducción en respuesta a cada mitad +/- ciclos de forma de onda, se vuelve imperativo para su base / emisor Vbe para adquirir un potencial superior a 0,6 V (valor de polarización de base estándar para BJT)

Debido al hecho anterior, implica que si bien la forma de onda de salida está por debajo de la marca de 0,6 V, no se puede amplificar ni reproducir.

Esto da lugar a una región distorsionada para la forma de onda de salida, justo durante el período en el que uno de los BJT se apaga y espera a que el otro vuelva a encenderse.

Esto da como resultado que una pequeña sección de la forma de onda esté sujeta a una distorsión menor durante el período de cruce o el período de transición cerca del cruce por cero, exactamente cuando el cambio de un transistor al otro ocurre a través de pares complementarios.

Funcionamiento del amplificador de clase AB

El amplificador de clase AB se construye utilizando una combinación de características de los diseños de circuitos de clase A y clase B, de ahí el nombre de Clase AB.

Aunque el diseño de Clase AB también funciona con un par de BJT complementarios, la etapa de salida asegura que la polarización de los BJT de potencia se controle cerca del umbral de corte, en ausencia de una señal de entrada.

En esta situación, tan pronto como se detecta una señal de entrada, los transistores no funcionan normalmente en su región activa inhibiendo así cualquier posibilidad de una distorsión cruzada, que normalmente prevalece en las configuraciones de Clase B. Sin embargo, podría haber una pequeña cantidad de corriente de colector conduciendo a través de los BJT, la cantidad puede considerarse insignificante en comparación con los diseños de Clase A.

El tipo de amplificador de clase AB exhibe una tasa de eficiencia muy mejorada y una respuesta lineal en comparación con su contraparte de clase A.

Forma de onda de salida del amplificador de clase AB

La clase de amplificador es un parámetro importante que depende de cómo se polaricen los transistores a través de la amplitud de la señal de entrada, para implementar el proceso de amplificación.

Depende de cuánto de la magnitud de la forma de onda de la señal de entrada se utiliza para que los transistores conduzcan, y también del factor de eficiencia, que está determinado por la cantidad de energía realmente utilizada para entregar la salida y / o desperdiciada por disipación.

Con respecto a estos factores, finalmente podemos crear un informe de comparación que muestre las diferencias entre las diversas clases de amplificadores, como se muestra en la siguiente tabla.

Luego, podemos hacer una comparación entre los tipos más comunes de clasificaciones de amplificadores en la siguiente tabla.

Clases de amplificadores de potencia

Pensamientos finales

Si un amplificador no está diseñado correctamente, como por ejemplo, un diseño de amplificador de clase A, puede exigir una disipación de calor sustancial en los dispositivos de potencia, junto con ventiladores de refrigeración para las operaciones. Dichos diseños también necesitarán entradas de suministro de energía más grandes para compensar las enormes cantidades de energía desperdiciada en el calor. Todos estos inconvenientes pueden hacer que dichos amplificadores sean muy ineficaces, lo que a su vez podría causar un deterioro gradual de los dispositivos y eventualmente fallas.

Por lo tanto, puede ser aconsejable optar por un amplificador de clase B diseñado con una eficiencia más alta de alrededor del 70% en comparación con el 40% de un amplificador de clase A. Dicho esto, el amplificador de clase A puede prometer una respuesta más lineal con su amplificación y una respuesta de frecuencia más amplia, aunque esto tiene el precio de una pérdida de energía sustancial.