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Curso de Electrónica Analógica – Lección 8 – Los Amplificadores (CUR1008S)

8.1 - LOS AMPLIFICADORES DE AUDIO

El propósito de un amplificador de audio es aumentar la intensidad de una señal de baja frecuencia, típicamente entre 15 y 15 000 Hz.

Dependiendo de las características de la señal con este amplificador debe trabajar, y la potencia que debe entregar, tienen varias posibilidades de configuración. En muchos casos un solo transistor es incapaz de entregar la potencia necesaria para el propósito deseado, para que el amplificador debe tener varios pasos que hacen subsecuente amplificación de señales.

En los amplificadores debemos siempre tener en cuenta algunas características importantes que definen lo que pueden hacer y, por lo tanto, donde pueden ser utilizados. Estas características son especialmente importantes en el caso de amplificadores de sonido, cuando se usa micrófonos, pastillas de instrumentos musicales, reproductores de CD y otras fuentes de señales que requieren la reproducción de alta calidad.

Veamos algunas de estas características:

 

Impedancia de entrada

Esta función nos dice qué tipo de señal opera el amplificador. Como yo estudiaba, un dispositivo puede entregar todo tu potencia a otro, si hay una adaptación de impedancias entre ellos, como se muestra en la figura 1.

 

 

Figura 1 - Transferencia máxima de potencia (energía)
Figura 1 - Transferencia máxima de potencia (energía)

 

 

Las señales que deben ser amplificados por un amplificador pueden tener los más diversos orígenes, provenientes de los aparatos que tienen impedancias diferentes. Así, mientras que un micrófono dinámico es un dispositivo de baja impedancia (alrededor de 200 ohms), una cápsula de cristal de un tocadiscos o un micrófono cerámico tiene una impedancia muy alta, del orden de 500 k ohms o más.

Esto significa que, si conectamos estos dos aparatos en un amplificador que tiene, por ejemplo, una alta impedancia de entrada, el micrófono de baja impedancia no podrá excítalo habiendo funcionamiento incorrecto.

 

Sensibilidad

Para una etapa transistorizada, o incluso un amplificador completo funcione es preciso que, la señal aplicada a su entrada tiene una intensidad mínima, normalmente expresada en volts, milivolts o microvolts, que además debe haber un casamiento de impedancia.

Por lo tanto, si decimos que un amplificador tiene una sensibilidad de 200 mV, eso significa que necesitamos una señal de al menos 200 milésimos de volts en la entrada, para que él trabaje normalmente con el máximo rendimiento, es decir, entrega su potencia máxima. Si un amplificador tiene una alta sensibilidad, y la fuente de la señal y entregar una tensión mayor que necesita para excitación completa, la diferencia puede compensar un descasamiento de impedancia.

 

Impedancia de salida

Esta función nos dice lo que podemos conectar en la salida del amplificador. Por lo que podemos conectar un altavoz, por ejemplo, el amplificador debe tener una impedancia de salida baja. Sin embargo, si el amplificador o el amplificador tiene que excitar otro dispositivo cuya entrada es de alta impedancia, es conveniente que tenga una impedancia de salida alta. Como ya sabemos la impedancia se expresa en ohms.

 

 

Potencia o amplitud de una señal

En los amplificadores que sirven para excitar un altavoz o auricular, es decir, para reproducir una señal de audio, es costumbre indicar la potencia de salida, que de alguna manera nos permite evaluar el volumen del sonido que tenemos para un entorno dado. Esta energía se mide en watts y hay nombres adicionales que nos dicen cómo se obtienen estos watts.

Así, podemos hablar en watts RMS, de la misma manera como en el caso de tensiones alternas, si tomamos en cuenta que el amplificador está reproduciendo un sonido puro o una señal sinusoidal. Si nos da la energía máxima, para el mismo amplificador tenemos un valor más alto, como se muestra en la figura 2. También podemos hablar de potencia PMPO.

 

   Figura 2 - Potencia de pico y RMS
Figura 2 - Potencia de pico y RMS

 

 

Cuando más watts mejor. Esta idea está directamente asociada con el equipo de sonido, cuando hay otras funciones mucho más importantes que se deben considerar, por ejemplo, la distorsión armónica total, etcétera.

Sin embargo, si el negocio es vender un amplificador por la potencia, es claro que los fabricantes buscan aumentar la medida del posible. Y, si no puede hacer eso con un mejor circuito, se puede "inventar" una unidad diferente para medir la potencia de modo a tomar un mayor valor numérico.

La cantidad de sonido es lo mismo, pero en vez de decir que el amplificador tiene "20", vender más fácilmente si decimos que tiene "200", aunque "la cantidad de sonido" mantener absolutamente la misma. Y el comprador está mal.

Así, para un amplificador ideal, la potencia real se da cuando se aplica una señal sinusoidal de 1 kHz en su entrada y se miden la corriente y tensión en la carga. De esta medida, como se muestra en la figura 3, se calcula se el circuito entrega la potencia real a la carga, que es el producto de la tensión de pico en pico de la corriente multiplicada por 0.707, ya que se calcula el valor real.

 

Figura 3 – La potencia real o root mean square  (Root Mean Square)
Figura 3 – La potencia real o root mean square (Root Mean Square)

 

 

Esta es la potencia real o potencia RMS (Root Mean Square) o "Valor medio cuadrático".

Sin embargo, los fabricantes y vendedores de amplificadores y otros equipos de sonido, subió con una manera de aumentar este valor.

El argumento es simple: una señal musical no es perfectamente sinusoidal, pero formado por picos y variaciones súbitas que pueden ser muy agudas, como se muestra en la figura 4.

 

   Figura 4 - El sonido reproducido por equipo común no es un sonido puro
Figura 4 - El sonido reproducido por equipo común no es un sonido puro

 

 

Cuando el amplificador reproduce estos picos, que duran fracciones de segundo, la tensión se eleva a valores muy altos en la carga y por lo tanto la corriente. Esto significa una potencia instantánea muy alta, que, sin embargo, no puede persistir, porque no es compatible con el circuito.

Esta energía momentánea máxima o Peak Pusic Power Output dura milisegundos y no corresponde a la cantidad total real que el equipo de sonido puede proporcionar. Por lo tanto, es un valor que se calcula en una condición donde el equipo no puede proporcionar continuamente. La figura 5 muestra lo que ocurre.

 

Figura 5 – Los picos de potencia de un sonido común
Figura 5 – Los picos de potencia de un sonido común

 

 

Para que el lector una idea de cómo la indicación de la potencia PMPO "aumenta" el número que representa las características de un amplificador, baste decir que un equipo que cuenta con 16 W rms puede llegar a 180 W pmpo.

Un anuncio muestra a un equipo "X" amplificador para PC tiene una potencia 3 Wrms, pero 200 Wpmpo. Naturalmente, estos números pueden ser engañosos.

Es otro punto importante que debe considerarse al especificar la potencia RMS y PMPO es medida la de potencia RMS, que es realizada con el amplificador llevado hasta el punto de volumen máximo sin que la distorsión exceda un valor dado. Para la potencia PNPO no hay ningún tal límite ni cualquier otra en la medición.

Se nota que no hay ninguna ilegalidad en la especificación de la potencia en watts PMPO, pero ciertamente no una ética. Siempre es importante comprobar la potencia real de un equipo, sobre todo si nos desconfiamos por su apariencia, costo o incluso marca...

Un buen comienzo para probar la fiabilidad del equipo es saber ha especificado su potencia en watts RMS.

Si el amplificador no excitará un altavoz o auricular, pero otro dispositivo que tiene la impedancia correcta y sensibilidad es interesante a veces especifican la salida en volts sobre cierta carga. Esto es válido para los llamados preamplificadores, mezcladores, etcétera.

 

Amplificadores Analógicos y Digitales

Aunque nuestros oídos son analógicos y los sonidos que escuchamos son cantidades analógicas, hoy es posible amplificar sonidos utilizando circuitos analógicos y circuitos digitales. En circuitos digitales, los sonidos, que están formados por señales analógicas son convertidos a formato digital, procesados y amplificados. Existen diversas tecnologías para hacer eso.

Como este curso es de electrónica analógica, trataremos exclusivamente con el sonido analógico, es decir, los amplificadores lineales o analógicos que operan con señales de audio.

Existe la creencia que los amplificadores de audio analógicos proporcionan mejor calidad de sonido, al igual que los amplificadores con válvulas son mejores que los amplificadores digitales, pero no se tratará en este curso.

Por lo tanto, en las características analizadas en los ítems a anteriores, vemos que los amplificadores con señales audio analógicas pueden dividirse en varios grupos, que se examinarán a seguir:

1. Preamplificador

2. Drivers

3. Amplificadores de potencia

Veamos la función de cada uno:

 

Preamplificadores de audio

Estos amplificadores, que pueden tener uno o más pasos, pretenden amplificar pequeñas señales, como las que obtenemos de los micrófonos, cápsulas de giradiscos, magnetófonos, cabezas de video, radios, etcétera. Los transistores que se utilizan comúnmente son para bajo nivel de ruido y alta ganancia, como el BC549 en la configuración de emisor común, colector común o placa común, de acuerdo con la impedancia de entrada y salida con que se quiere trabajar.

En la figura tenemos 6 un circuito tradicional de este tipo para una configuración de emisor común.

 

Figura 6 – Un preamplificador de audio común
Figura 6 – Un preamplificador de audio común

 

 

Una característica importante de este circuito es que está diseñado para trabajar con señales de intensidad muy pequeña, y mostrando una alta ganancia, ruidos que son inducidas en los cables pueden ser amplificados junto con la señal.

Uno de los ruidos más problemas causan es el ronquido, que es causado por las líneas de alimentación de energía. Esto induce una red de señal de 60 Hz (50 Hz en los países donde esto se asume a menudo), y que aparece en el altavoz o en reproducción tan desagradable, como el lector puede ver en la figura 7.

 

Figura 7 -  El ronquido de 60 Hz o 50 Hz
Figura 7 - El ronquido de 60 Hz o 50 Hz

 

 

Cuando queremos una mayor amplificación, el preamplificador puede tener dos o más transistores acoplados de modo que já estudiamos en lecciones anteriores.

 

Como Eliminar Ronquidos de 60 Hz

La red funciona como una antena gigante que irradia una señal con una frecuencia muy especial: 60 Hz (50 Hz). De hecho ,60 Hz (50 Hz) es la frecuencia de la corriente alterna de la red, cuya finalidad es alimentar nuestros aparatos eléctricos y electrónicos.

La irradiación de la señal no es algo deseado, pero ocurre y con ella algunos problemas que afectan el funcionamiento de muchos aparatos electrónicos, especialmente el sonido.

Lo que pasa es que, si la señal de 60 Hz (50 Hz) "irradiada" por la red de alimentación es recogida por los circuitos de amplificación dos equipos de sonido, se reproduce en los altavoces y auriculares.

Como 60 Hz (50 Hz) es una frecuencia de audio, es decir, corresponde a un sonido que se puede escuchar, el resultado es un sonido constante, similar a un ronquido o zumbido muy grave.

Si el lector desea tener una mejor idea de este sonido, basta poner el dedo en un enchufe conectado a la entrada auxiliar del amplificador, como se muestra en la figura 8.

 

Figura 8 - Escuchando el rugido de la red de 60 Hz
Figura 8 - Escuchando el rugido de la red de 60 Hz

 

 

Su cuerpo actúa como una antena, recogiendo las señales irradiadas por la red de la energía que luego se amplifica a través de los circuitos del equipo estéreo.

Por supuesto, esto no es algo interesante que tiene un ronquido en el sistema de sonido del altavoz, cuando no existe ninguna música ni otra señal.

Si este ronquido está presente, puede ser "entrar" en su equipo de sonido incorrectamente.

Las cajas de equipos de sonido están correctamente conectadas a tierra y trabajar el metal como blindajes. Los cables a través del cual las señales están protegidas y deben tener sus mallas a tierra, para evitar la captura de ronquidos.

Las señales inducidas por red de energía permanecen en la malla de los cables o en la caja del aparato que las desvía a la tierra, como se muestra en la figura 9.

 

Figura 9 - La operación de cable blindado
Figura 9 - La operación de cable blindado

 

 

Sin embargo, no importa qué bueno es el blindaje de un cable, o es la caja que casas un aparato, ronquidos pueden encontrar "huecos", penetrando en amplificadores circuitos y apareciendo en los altavoces.

¿Por dónde pueden penetrar estos ronquidos?

 

a) El primer punto importante a señalar es el cable de conexión. La blindaje actúa como hasta los puntos que puede alcanzar, mas en las enmiendas o donde se colocar un jack la blindaje se debe quitar, y descubrir un trozo de cable, como se muestra en la figura 10.

 

Figura 10 - Ronquidos llegando por las emendas
Figura 10 - Ronquidos llegando por las emendas

 

 

Puede parecer poco que uno o dos centímetros de un cable pelado tiene algún efecto, pero esta pequeña longitud perfectamente puede capturar unos pocos ?V de ronquido, transferir al equipo de sonido.

Los cables que operan con señales muy débiles, como los que la transferencia de la señal de una cápsula de cabeza magnética o micrófono son muy sensibles a este problema.

El primer paso en la eliminación de este problema es identificar su fuente:

 

* Coloque el amplificador en la condición que roncar es manifiesta.

* Desenchufe el cable de conexión de la fuente de señal a la red, sin alimentación.

* Desenchufe la el cable de conexión de señal del amplificador.

* Si desenchufa el ronquido desaparece, que caracteriza el origen del problema.

* Si no desaparecen los ronquidos, puede tener otros orígenes, como veremos. Puede ser generado en el circuito del amplificador, o recogido por la caja sí mismo para no estar correctamente conectada a tierra.

* Si el ronquido fue causado por el cable, consulte:

* Si tu blindaje está haciendo buen contacto con los enchufes y el circuito en ambos extremos.

* Si la toma del amplificador está conectado a tierra correctamente.

* Si hay enmiendas en el hilo, compruebe estas enmiendas, reducir el tamaño de cable interno expuesto, como se muestra en la figura 11.

 

Figura 11 – Enmienda correcta en los cables de señal
Figura 11 – Enmienda correcta en los cables de señal

 

 

b) Conexión a una tierra común

Cuando dos o más aparatos están interconectados, por lo que sus cajas o chasis actúen como blindaje eficaz evitando la aparición de ronquidos, deben ser bajo el mismo potencial.

Puede ocurrir, por diferencias en las características, o por circuitos externos, dos aparatos conexión a la misma red, cuando está en funcionamiento. Informe de una diferencia de potencial de unos microvolts o milivolts, como se muestra en la figura 12.

 

 

   Figura 12 – Problemas de interconexión de equipos
Figura 12 – Problemas de interconexión de equipos

 

 

Esta diferencia es un signo que aparece en los circuitos del amplificador de entrada, cuando los aparatos están interconectados. Es fácil de comprobar si el problema tiene este origen:

* Conectar los dos aparatos y con la apertura del volumen el del amplificador aparece.

* Tocar una caja en el otro, o mediante la conexión por un momento a través de un trozo de alambre. El ronquido desaparece, como se muestra en la figura 13.

 

 

Figura 13 - terminales de conexión de tierra
Figura 13 - terminales de conexión de tierra

 

 

* Si no desaparecen los ronquidos, su fuente puede ser otra.

 

Para eliminar los ronquidos de esta origen, apenas utilice los terminales comunes de tierra que todos los equipos cuentan en su parte posterior.

* Conecte los terminales de todos los aparatos que componen el sistema, si usan una caja separada, como se muestra en la figura 14.

 

Figura 14 – Usando un alambre grueso como una interconexión de tierra (T)
Figura 14 – Usando un alambre grueso como una interconexión de tierra (T)

 

 

El alambre utilizado en esta interconexión debe ser gruesa y corta como sea posible.

 

c) Conexión de tierras fuera de fase

Dos aparatos conectados a la misma red, un funcionando como fuente de señal (platina, preamplificador, ecualizador, etc.) y otro como un amplificador de potencia final pueden presentar pequeñas diferencias de potencial entre sus chasis o cajas, de la misma forma que en el caso anterior, por estar con diferentes fases de la alimentación.

Lo que pasa es que sus transformadores de potencia pueden estar con fases distintas en relación con la tensión de entrada, lo que afecta ligeramente la tensión del secundario, como se muestra en la figura 15.

 

Figura 15 - Transformadores fuera de fase
Figura 15 - Transformadores fuera de fase

 

 

Así, entre el chasis surge una pequeña tensión alternada de 60 Hz (50 Hz), resultante de la desfasaje de la alimentación dos transformadores.

Una forma sencilla de comprobar si el problema es el siguiente:

* Conectar los aparatos para el ronquido ser producido.

* Revertir la toma de uno de los aparatos, girar 180 grados, como se muestra en la figura 16.

 

Figura 16 – Girando una toma de corriente para reducir o eliminar los ronquidos
Figura 16 – Girando una toma de corriente para reducir o eliminar los ronquidos

 

 

* Si los ronquidos desaparecen por completo, caracteriza el problema. Una interconexión adicional con alambres gruesos entre el chasis puede solucionar definitivamente el problema.

 

8.8 - Drivers o controladores

Antes de llegar a la máxima potencia que deseamos para una señal, por lo que puede ser utilizado para excitar un altavoz, puede ser necesario utilizar un paso de amplificación intermedia. Este paso se llama driver o impulsor, que el lector puede ver la figura 17.

 

Figura 17 – El paso impulsor o driver de un amplificador de audio
Figura 17 – El paso impulsor o driver de un amplificador de audio

 

 

Según el amplificador considera que este paso puede tener una variedad de potencias. Un gran amplificador tiene una potencia de decenas de watts, la excitación puede tener unos pocos watts de salida, que corresponde a un amplificador de potencia real pequeño.

 

8.9 – Amplificadores de potencia

Estos amplificadores están equipados con uno o más pasos, cuyo objetivo es excitar los altavoces, por ejemplo, con señales de gran intensidad que puede variar desde 100 mW a amplificadores con pilas en sistemas multimedia y auriculares, hasta más de 500 W para amplificadores de sonido de entornos de gran tamaño.

Se utilizan para estos amplificadores de potencia más alto, o incluso a sus etapas finales, transistores montados en radiadores de calor, como el lector puede ver en figura 18.

 

Figura 18 - Transistor en radiador de calor, como se ve en amplificadores
Figura 18 - Transistor en radiador de calor, como se ve en amplificadores

 

 

Es interesante notar que, dependiendo de la gama de potencia, tipo de señal con la que trabajamos, una etapa que se considerará, puede ser igual a una etapa de potencia de otro.

Así, la configuración para todos los tipos de amplificadores que vimos tiene puntos en común en relación con el principio y la operación sólo cambiando el tipo de señal, la potencia y las características de entrada y de salida.

De esta manera, será mucho más fácil hacer un estudio general de las configuraciones utilizadas y cómo funcionan.

 

Clases de amplificador

Con el propósito de estudio, asumiremos que los amplificadores para funcionan exclusivamente con señales sinusoidales. Así, teniendo en cuenta que la señal a amplificar es una sinusoide de una frecuencia que seguramente será entre las15 y 15 000 Hz, podemos hacer comparaciones y ver lo que ocurre con cada uno de ellos.

Para ello, tomar la curva de transferencia de señales de un transistor que pueden verse en la figura 19, y que depende de su polarización.

 

Figura 19 - Clases de operación de un amplificador de transistor
Figura 19 - Clases de operación de un amplificador de transistor

 

 

Como podemos ver, el transistor puede ser polarizado en cuatro puntos diferentes que corresponden a clases A, AB, B y C. (en realidad, hay otros puntos, pero los que estudian, son los principales).

Lo importante para nosotros es saber cuándo usar cada uno de los tipos analizados de amplificadores. Por supuesto, teniendo en cuenta la necesidad de una amplificación sin distorsiones, debe primero de todo pensar en clase A para amplificación de audio.

Así, en preamplificadores y en muchas etapas de salida de amplificadores de audio, como las que se puede observar en la figura 20, tenemos la polarización del transistor en el centro de la curva de transferencia (lineal), que nos lleva a la amplificación de señal dos semiciclos. Para aplicaciones donde trabajamos con intensidades pequeñas como preamplificadores, drivers y salidas de potencia pequeños, este paso no tiene muchos inconvenientes.

 

Figura 20 – Ejemplos de clase de pasos
Figura 20 – Ejemplos de clase de pasos

 

 

Sin embargo, circuitos de potencia más alta, por ejemplo, en la salida de un amplificador de sonido multimedia alimentado por baterías, o en la salida de audio de un radio portátil alimentado por baterías, donde el consumo es importante en una radio de coche, o incluso un amplificador doméstico, el hecho de lo transistor permanecer en conducción en ausencia de señal es un serio inconveniente.

Para un amplificador de alta potencia, podemos decir que más del 50% de la energía se pierde en esta configuración que luego se caracteriza por tener un bajo rendimiento.

¿Cómo resolver el problema? ¿Si polarizarnos el transistor para que tenga una corriente baja en ausencia de una señal, como por ejemplo en la clase C o B, la amplificación es sólo la mitad de los semiciclos, causando distorsión de la señal?

Este problema es solucionado por algunos ajustes que emplean dos disposiciones adecuadas y transistores que se utilizan en la mayoría de los amplificadores audio.

 

Amplificadores en Contrafase

Una forma de contornar el problema del consumo en reposo de una etapa de un amplificador de potencia y, al mismo tiempo, tener los dos semiciclos amplificados sin distorsión, consiste en utilizar dos transistores de la etapa en una configuración que se llama "push-pull", como el lector puede ver en figura 21.

 

   Figura 21 - Etapa de salida push-pull
Figura 21 - Etapa de salida push-pull

 

 

En esta configuración, usamos un transformador con derivación en el bobinado secundario para retirar la señal del paso anterior y también un transformador con derivación en el primario de la bobina, para "jugar" a la señal en el circuito de carga, por ejemplo, un altavoz.

Los dos transistores están polarizados en clase B, con el fin de presentar una corriente de reposo muy baja. De esta manera, no hay prácticamente consumo de energía en ausencia de señal.

Los semiciclos positivos de la señal de entrada aparecen con la misma fase en la derivación del transformador. Esto significa que el transistor Q1 se polariza de modo a hacer su amplificación. Sin embargo, en la derivación B, la señal aparece con la fase invertida, lo que significa que el transistor Q2 está polarizado en la dirección para no amplificar las señales , permaneciendo en el corte.

En el los semiciclos negativos de la señal, A tiene polaridad tal que Q1 permanece en el corte, y no amplifica. Sin embargo, como la señal aparece invertida en la derivación B, el transistor Q2 está polarizado para amplificar normalmente.

Como los colectores están conectados a un solo transformador, tenemos una amplificación completa do ciclo, la señal se juega en el transformador, donde si consigue juntos en todo y luego pasan a la carga. En la figura 22, el lector puede consultar las formas de onda en varios puntos de este circuito.

 

Figura 22 - Formas de onda en una etapa push-pull clase B
Figura 22 - Formas de onda en una etapa push-pull clase B

 

 

En los pequeños viejos radios transistorizados, es común es el uso de este tipo de paso de amplificación, dado su bajo consumo y excelentes ingresos proporciona.

Sin embargo, este tipo de circuito no es interesante para potencias altas, pues los transformadores son voluminosos y costosos. En realidad, en amplificadores de válvulas de alta calidad (Hi-Fi), este tipo de configuración es común.

Otro factor importante que hace este tipo de etapa algo crítica, es el hecho de que los transistores deben mantenerse estrictamente polarizados en el punto cerca de la conducción, de modo a no haber distorsión.

Para aparatos sujetos a uso continuo en condiciones adversas de tiempo, aumento de la temperatura, por diversas razones, puede causar un desplazamiento de la polarización del transistor, que conduce a distorsiones y también el mayor consumo de corriente.

Muchos técnicos ya cogieron radiecitos con exceso de consumo, porque los transistores salieron de su polarización normal.

Para mantener la etapa estabilizada en un amplio rango de temperaturas, en algunos circuitos encontramos un NTC (Negative Temperature Resistor o Resistor con Coeficiente Negativo de Temperatura ) en lugar de un resistor común, es decir, un termistor o resistor cuya resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Así, cuando la corriente del colector transistor tiende a aumentar con el aumento de la temperatura, el resistor entra en acción con reduciendo la tensión de polarización, porque su resistencia disminuye y esto lleva el paso a volver al funcionamiento normal. En la figura 23 tenemos un ejemplo de paso que utiliza uno de estos componentes.

 

   Figura 23 – Etapa de salida estabilizado térmicamente con un NTC     
   Figura 23 – Etapa de salida estabilizado térmicamente con un NTC     

 

 

También debemos señalar que, en muchos equipos de alta calidad para mantener la fidelidad del sonido, son usados transistores casados, es decir, con las mismas características de ganancia, para que los dos semiciclos amplificados sean exactamente los mismos.

 

8.4 - Amplificadores en simetría complementar

Por la fidelidad con que se amplifica señales de audio y la potencia que puede proporcionar, además para de no necesitar transformadores de salida, este tipo de configuración fue la más utilizada en los amplificadores de sonido lineal o analógico, con potencia desde unos miliwatts hasta cientos de watts.

Como podemos ver, el circuito de la figura 24 se utiliza dos transistores, uno PNP y NPN conectados de tal manera, que son excitados por un solo transistor, que en el ejemplo es NPN.

 

   Figura  24 -  Etapa de salida sin transformador con transistores complementares
   Figura 24 - Etapa de salida sin transformador con transistores complementares

 

 

Podemos hacer el mismo circuito usando un transistor PNP, como el lector puede ver en figura 25.

 

Figura 25 - Etapa de salida con excitación por transistor PNP
Figura 25 - Etapa de salida con excitación por transistor PNP

 

 

En este circuito, el transistor excitador (driver) es polarizado de modo a mantener en su colector una corriente del orden de la mitad de la tensión de alimentación del circuito, es decir, en la clase A, con el fin de amplificar los dos semiciclos de la señal de entrada.

Esta polarización está garantizada mediante la conexión del resistor de base en los emisores del transistor de salida. De esta manera, las variaciones de la corriente que causan un desplazamiento de la polarización, causando una variación de a tensión en el punto que es conecta el resistor, compensa el efecto.

El colector del transistor excitador se conecta directamente a la base de un de los transistores y la base de lo otro, a través de dos diodos (en algunos circuitos se utilizan en lugar de los diodos un diodo y un resistor, o un solo resistor o un termistor NTC).

Las funciones de los diodos es proporcionar una caída de tensión en el circuito equivalente a la dada por las dos junciones base-emisor de los transistores de salida. Además, porque son del mismo material que los transistores (silicio), los diodos de acompañarán las variaciones de características que se producen con estos transistores en función de la temperatura.

Cuando no hay señal de entrada, los transistores de dos salidas permanecen cerca del corte y la tensión entre los emisores es aproximadamente la mitad la tensión de alimentación. Esta tensión carga el capacitor en serie con el altavoz.

En la aplicación de un semiciclo negativo de señal en el transistor de entrada, él va cerca al corte, acompañando esta señal, lo que provoca el aumento de la tensión de colector, que tiende a polarizar el transistor de salida NPN para conducir y el PNP para permanecer en el corte.

En estas condiciones, una corriente fluye por el transistor NPN correspondiente al semiciclo amplificado, que carga el capacitor a través del altavoz, que luego procesa esta señal. vea el sentido del movimiento de esta corriente en figura 26.

 

Figura  26 - En el hemiciclo negativo, conduce el transistor NPN
Figura 26 - En el hemiciclo negativo, conduce el transistor NPN

 

 

Cuando aplicamos el semiciclo señal positivo de la señal a la entrada p, conduce el transistor NPN cortocircuitando el capacitor que está en serie con el altavoz. En estas condiciones, se produce su descarga, con una fuerte corriente que corresponde en forma de onda y frecuencia a la señal aplicada a la entrada y esto hace que ocurra la reproducción del altavoz. En la figura 27, el lector puede consultar las formas de onda y la corriente de este aparato.

 

Figura 27 - Operación en el hemiciclo positivo
Figura 27 - Operación en el hemiciclo positivo

 

 

De hecho, este circuito inicialmente descrito, tiene una simetría de "casi complementar" ya que los transistores trabajan solamente con un hemiciclo. El otro corresponde a una descarga del capacitor que almacena energía.

Una configuración, más elaborada, puede verse haciendo clic en figura 28. Ella no utiliza el capacitor, para que realmente los transistores amplifiquen ambos hemiciclos de la señal.

 

Figura 28 – Etapa en simetría complementar total
Figura 28 – Etapa en simetría complementar total

 

 

Este circuito se llama simetría complementar total complementar y también se utiliza en equipos comerciales, principalmente de mayor costo y de alta potencia, donde un capacitor electrolítico sería un componente masivo y costoso cuando se utiliza en la salida.

 

8.5 - AMPLIFICADORES DE RF

La configuración para la amplificación de señales de alta frecuencia (RF) no difiere mucho de la de audio. Además de las características de la entrada y la impedancia de salida, nivel de señal ruido y salida que vimos para los amplificadores de audio, amplificadores de RF también tienen otros puntos importantes a considerar cuando las diseñamos.

Uno de ellos refiere al hecho de que, mientras que un amplificador de audio generalmente trabaja con una gama muy amplia de frecuencias, típicamente la gama audible entre 15 y 15 000 Hz, en el caso de amplificadores de RF es posible tanto trabajar con una amplia gama frecuencias, cómo trabajar con una banda muy estrecha de frecuencias de una señal.

Así, en primer lugar, los llamados amplificadores "aperiódicos o", como lo que puede verse en la figura 29, que están diseñados para amplificar cierta gama de la señal, en la ausencia de una determinación o sintonía.

 

 

Figura 29 -  Un amplificador de RF de aperiódico con un transistor
Figura 29 - Un amplificador de RF de aperiódico con un transistor

 

 

Un amplificador de este tipo puede usarse como un reforzador o amplificador para radios. El circuito de la figura, por ejemplo, funciona razonablemente bien hasta la banda de onda corta, alrededor de 20 MHz.

Como hemos estudiado en lecciones anteriores, los transistores tienen un límite para la frecuencia que pueden amplificar. Este límite se establece por la velocidad con que las cargas pueden moverse alrededor de las junciones y también por las capacitancias parásitas entre los elementos del transistor.

En la figura 30 muestran la distribución de estas capacitancias responsables por la reducción en la "velocidad" de la operación de los transistores y, por lo tanto, prevenir la amplificación de señales de muy altas frecuencias.

 

Figura 30 – Las capacitancias de un transistor bipolar
Figura 30 – Las capacitancias de un transistor bipolar

 

 

Tipos especiales de transistores para RF pueden tener formas y dimensiones que reducen estas capacitancias, pero todavía hay límites. Los límites también dependen de la configuración en que se utiliza el transistor.

En la configuración de emisor común, por ejemplo, como la señal ingresa por la base, la capacitancia de base del transistor se multiplica prácticamente por su ganancia, lo que significa que tenemos un efecto de "aumento" de esta capacitancia que reduce la velocidad de operación del componente.

La señal debe primero cargar el capacitor, como el lector puede ver en la figura 31, para después pasar y controlar el flujo de corriente entre el colector y el emisor.

 

Figura 31 - Efecto de capacitancia de la entrada en un circuito de emisor común
Figura 31 - Efecto de capacitancia de la entrada en un circuito de emisor común

 

 

Una configuración de uso general en circuitos de RF es la de base común en la que podemos reducir los problemas de la capacitancia intrínseca del transistor, llevando a la frecuencia máxima de operación.

En esta configuración, la señal se aplica al emisor y retirado del colector, no habiendo problemas con la capacidad de base, como se muestra en la figura 32.

 

 

Figura 32 - Amplificador de RF  en base común
Figura 32 - Amplificador de RF en base común

 

 

La impedancia de un amplificador de RF de circuito que trabaja con señales muy débiles, por ejemplo, recogidos por una antena a un receptor, es muy importante para obtener el mejor rendimiento.

Por ejemplo, en el caso de un amplificador aperiódico, es muy difícil mantener la impedancia constante en toda la banda en que funciona, lo que significa que se presente un comportamiento no lineal en su banda de frecuencia, como el lector puede ver en figura 33.

 

Figura 33 – La ganancia disminuye como aumento de frecuencia
Figura 33 – La ganancia disminuye como aumento de frecuencia

 

 

Así que, aunque tenemos una frecuencia en la que la ganancia es mayor, hay otras en las que la ganancia es mucho menor. La mejor solución para obtener el mejor rendimiento en cada momento es trabajar con una frecuencia determinada como, por ejemplo, en la sintonía de radio o transmisores y utilizar amplificadores sintonizados.

 

8.6 - AMPLIFICADORES SINTONIZADOS

Tenemos muchas posibilidades. Uno de ellos puede verse en la figura 34, que consta de sintonizar la señal que se desea amplificar justo a la entrada del circuito.

 

Figura  34 , Amplificador con entrada sintonizada
Figura 34 , Amplificador con entrada sintonizada

 

 

Esta configuración le permite obtener el mejor acoplamiento de la señal al transistor, así tienen un bueno casamiento de impedancias y, con ello, los mejores rendimientos. Sin embargo, todavía hay algunos problemas que a veces deben evitarse.

Los transistores conectados en configuración de emisor común, así, por ejemplo, tienen una impedancia de entrada relativamente baja, como se estudia. Esta baja impedancia "carga" un circuito sintonizado compuesto por una bobina y un capacitor, que presenta una alta impedancia (vea en la correspondiente lección de que la frecuencia sintonizada la impedancia tiende a infinito).

El resultado es que, si hacemos un acoplamiento sin tener en cuenta este hecho, la selectividad se reduce, es decir, la capacidad del circuito sintonizado para separar las estaciones. En un radio es un problema grave, porque él puede "mezclar" estaciones cercanas.

Una forma de evitar este problema es quitar la señal de una derivación de la bobina, como el lector puede ver en figura 35.

 

Figura 35 – Conseguir la mejor adaptación de impedancias
Figura 35 – Conseguir la mejor adaptación de impedancias

 

 

La impedancia de la derivación es mucho menor que la impedancia de extremo a extremo de la bobina y, por lo tanto, "casa" mejor con la entrada del transistor. El punto exacto que debe hacerse, se puede determinar mediante cálculos más allá del interés de este curso, que tiene propósito más práctico.

Otra solución consiste en utilizar una segunda bobina a bobina, como el lector puede ver en figura 36.

 

Figura 36 - Casando la impedancia mediante un transformador
Figura 36 - Casando la impedancia mediante un transformador

 

 

Este segundo bobinado tendrá menos vueltas sintonizadas, que da como resultado un transformador cazador de impedancias, con el mismo principio de funcionamiento que estudiamos en la lección sobre acoplamientos.

Otra posibilidad para este tipo de circuito consiste en colocar circuitos sintonizados tanto en salida como entrada, como se muestra en la figura 37.

 

 

Figura 37 - Circuito con entrada y salida sintonizada
Figura 37 - Circuito con entrada y salida sintonizada

 

 

Con esto obtenemos acoplamientos ideales en salida como en entrada con mucho mejor rendimiento.

La misma configuración con el transistor en la configuración de base común, utilizado en un circuito de alta frecuencia como una radio de FM, como el lector puede ver en la figura 38.

 

Figura 38 - Amplificador en placa común, con entrada y salida sintonizada
Figura 38 - Amplificador en placa común, con entrada y salida sintonizada

 

 

8.7 - Amplificadores en Contrafase

De la misma manera como en el caso de amplificadores de audio, debemos distinguir aquellos que operan con señales de baja intensidad, como los utilizados en receptores de radio, "boosters" (amplificadores de antena) y otros, de los circuitos que operan con señales de potencias más grandes cómo en los transmisores.

Una forma de amplificar las señales de un transmisor con el fin de aumentar la intensidad de la señal es el uso de un solo transistor de potencia más grande después del oscilador, conectado como se muestra en ela figura 39.

 

Figura 39  - Amplificador de RF
Figura 39 - Amplificador de RF

 

 

Podemos polarizar este transistor en clase A, B o C, según el rendimiento deseado, pero de la misma manera circuitos de audio, tenemos limitaciones a considerar. En esta figura, el transistor está configurado en clase c.

En la polarización en clase A, son ampliados ambos semiciclos de señal, pero tiene un rendimiento menor. Por otro lado, la distorsión de la señal es más pequeña, que para las señales de RF significa menor producción de múltiples frecuencias o armónicos que pueden perjudicar el comportamiento final del dispositivo.

En la polarización en la clase B o C, por el contrario, como se amplifica sólo un semiciclo de la señal, la distorsión es grande lo que causa la producción de muchos armónicos o espurios intensos que también pueden ser irradiados y que no es permitido en una aplicación normal.

Debe añadirse filtros u otros recursos que encarecen el proyecto.

Cuando se requieren potencias de hasta algunas decenas de watts, puede utilizarse la configuración en la clase C, pero si realmente queremos el máximo rendimiento debemos dejar a la puesta en etapa que puede verse en la figura 40.

 

Figura 40 - Etapa de RF de potencia con transistores en contrafase
Figura 40 - Etapa de RF de potencia con transistores en contrafase

 

 

No hay diferencia en cuanto a la operación de este paso de alta frecuencia en relación con el mismo tipo que trabaja con señales de audio.

Sólo en este caso, los transformadores son para altas frecuencias, es decir, bobinas con capacitores deben sintonizar la frecuencia deseada. Esta configuración se utiliza en transmisores más profesional que necesitan potencias por encima de 5 W, con excelente rendimiento.

 

8.8 - Amplificadores integrados

Como la mayoría de los circuitos usados en aplicaciones comunes, tales como equipos de sonido, televisores, radios, computadoras, shields y periféricos, los amplificadores de RF pueden encontrarse de manera integrada.

En este caso, nos debemos separar los amplificadores encontrados en estos equipos p en dos grupos: baja potencia y gran potencia.

Los amplificadores de baja potencia suelen aparecerán bajo la forma de amplificadores operacionales, y consisten en simples circuitos integrados, cuya finalidad es ejercer la función de aumentar la intensidad de las pequeñas señales. Estas señales tienen su nivel aumentado para excitar a otros circuitos, pero no suficiente para generar mucho calor o requieren demasiada energía de la fuente.

Los amplificadores de este tipo en algunas funciones de apoyo tales como en periféricos, como micrófonos, entrada en módems, grabadoras de sonido, etcétera. En muchos casos estos circuitos son incorporados a los circuitos integrados más complejos.

Los amplificadores de potencia mayor pueden utilizarse para múltiples propósitos y suelen funcionan con corrientes intensas y así generan mucho calor, están dotados de recursos para sus radiadores de calor montados.

Un amplificador de este tipo puede encontrarse en sistemas multimedia, tanto en la propia placa de sonido, como en pequeñas cajas amplificadas y trabajar exclusivamente con las señales de audio. También encontramos estos amplificadores la salida de sonidos internos, televisores, etcétera.

Los amplificadores de potencia también se utilizan para aumentar la intensidad de las señales de control de motores como, por ejemplo, en impresoras, equipos industriales, shields, etcétera.

Otra vez les recordamos que la dificultad de integrar capacitores de alto valor son los componentes externos requeridos. En amplificadores en particular son necesarios varios capacitores en muchos circuitos, y aparecen en discretamente alrededor del amplificador, que tiene el resto de componentes de forma integrada. En la figura 41 mostramos algunos amplificadores integrados.

 

Figura 41- Amplificadores integrados
Figura 41- Amplificadores integrados

 

 

 


 

Contenido

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Lección 3

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