Un amplificador multietapa es un amplificador electrónico que consta de dos o más amplificadores de una sola etapa conectados entre sí. En este contexto, una sola etapa es un amplificador que contiene solo un transistor (a veces un par de transistores) u otro dispositivo activo. La razón más común para usar múltiples etapas es aumentar la ganancia del amplificador en aplicaciones donde la señal de entrada es muy pequeña, por ejemplo en receptores de radio . En estas aplicaciones, una sola etapa tiene una ganancia insuficiente por sí sola. En algunos diseños es posible obtener valores más deseables de otros parámetros como la resistencia de entrada y la resistencia de salida .
El esquema de conexión más simple y más común es una conexión en cascada de etapas idénticas o similares que forman un amplificador en cascada . [1] En una conexión en cascada, el puerto de salida de una etapa está conectado al puerto de entrada de la siguiente. Normalmente, las etapas individuales son transistores de unión bipolar (BJT) en una configuración de emisor común o transistores de efecto de campo (FET) en una configuración de fuente común . Hay algunas aplicaciones en las que se prefiere la configuración de base común . La base común tiene una alta ganancia de voltaje pero no de corriente. Se utiliza en receptores de radio y televisión UHF porque su baja resistencia de entrada es más fácil de adaptar a las antenas que el emisor común. En los amplificadores que tienen una entrada diferencial y se requiere que emitan una señal diferencial, las etapas deben ser amplificadores diferenciales como pares de cola larga . Estas etapas contienen dos transistores para tratar la señalización diferencial .
Se pueden utilizar esquemas más complejos con diferentes etapas que tengan diferentes configuraciones para crear un amplificador cuyas características excedan las de una sola etapa para varios parámetros diferentes, como ganancia, resistencia de entrada y resistencia de salida . [2] La etapa final puede ser una configuración de colector común para actuar como un amplificador buffer . Las etapas de colector común no tienen ganancia de voltaje pero sí alta ganancia de corriente y baja resistencia de salida. De este modo, la carga puede consumir alta corriente sin afectar el rendimiento del amplificador. A veces se encuentra una conexión en cascada (etapa de emisor común seguida de etapa de base común). Los amplificadores de potencia de audio normalmente tendrán una salida push-pull como etapa final.
Un par de transistores Darlington es otra forma de obtener una ganancia de corriente alta. En este sentido, el emisor del primer transistor alimenta la base del segundo con ambos colectores en común. A diferencia de la etapa de colector común, un par Darlington puede tener ganancia de voltaje y ganancia de corriente. Un par Darlington generalmente se considera como una etapa única en lugar de dos etapas separadas. Se conecta de la misma manera que un solo transistor y, a menudo, se empaqueta como un solo dispositivo.
Se puede aplicar una retroalimentación negativa general al amplificador. Esto reduce la ganancia de voltaje pero tiene varios efectos deseables: aumenta la resistencia de entrada, disminuye la resistencia de salida y aumenta el ancho de banda .
La complicación en el cálculo de la ganancia de las etapas en cascada es el acoplamiento no ideal entre etapas debido a la carga. Se muestran dos etapas de emisor común en cascada. Debido a que la resistencia de entrada de la segunda etapa forma un divisor de voltaje con la resistencia de salida de la primera etapa, la ganancia total no es el producto de las etapas individuales (separadas).
La ganancia general de un amplificador multietapa es el producto de las ganancias de las etapas individuales (ignorando los posibles efectos de carga ):
Alternativamente, si la ganancia de cada etapa del amplificador se expresa en decibeles (dB), la ganancia total es la suma de las ganancias de las etapas individuales:
Hay varias opciones para el método de acoplamiento de las etapas del amplificador. En el amplificador acoplado directamente , como sugiere el nombre, las etapas están conectadas por conductores simples entre la salida de una etapa y la entrada de la siguiente. Esto es necesario cuando se requiere que el amplificador funcione en CC, como en los amplificadores de instrumentación , pero tiene varias desventajas. La conexión directa hace que los circuitos de polarización de las etapas adyacentes interactúen entre sí. Esto complica el diseño y conduce a compromisos en otros parámetros del amplificador. Los amplificadores de CC también están sujetos a deriva, lo que requiere un ajuste cuidadoso y componentes de alta estabilidad.
Cuando no se requiere amplificación de CC, una opción común es el acoplamiento RC . En este esquema, se conecta un condensador en serie entre las salidas y entradas de la etapa. Dado que el condensador no dejará pasar CC, las polarizaciones de la etapa no pueden interactuar. La salida del amplificador no se desviará de cero cuando no haya entrada. La capacitancia (C) del condensador y las resistencias de entrada y salida de las etapas forman un circuito RC . Esto actúa como un filtro de paso alto rudimentario . El valor del condensador debe ser lo suficientemente grande como para que este filtro deje pasar la frecuencia de interés más baja. Para los amplificadores de audio, este valor puede ser relativamente grande, pero en frecuencias de radio es un componente pequeño de costo insignificante en comparación con el amplificador general.
El acoplamiento de transformador es un acoplamiento de CA alternativo. Al igual que el acoplamiento RC, aísla la CC entre etapas. Sin embargo, los transformadores son más voluminosos y mucho más caros que los condensadores, por lo que se utilizan con menos frecuencia. El acoplamiento de transformador se destaca en los amplificadores sintonizados . La inductancia de los devanados del transformador sirve como inductor de un circuito sintonizado LC . Si ambos lados del transformador están sintonizados, se denomina amplificador de doble sintonización . La sintonización escalonada es donde cada etapa se sintoniza a una frecuencia diferente para mejorar el ancho de banda a expensas de la ganancia .
El acoplamiento óptico se logra mediante optoaisladores entre etapas. Estos tienen la ventaja de proporcionar un aislamiento eléctrico completo entre etapas, por lo que proporcionan aislamiento de CC y evitan la interacción entre etapas. El aislamiento óptico a veces se realiza por razones de seguridad eléctrica. También se puede utilizar para proporcionar una transición de balanceado a no balanceado .
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