Un amplificador , amplificador electrónico o (informalmente) amp es un dispositivo electrónico que puede aumentar la magnitud de una señal (un voltaje o corriente que varía con el tiempo ). Es un circuito electrónico de dos puertos que utiliza energía eléctrica de una fuente de alimentación para aumentar la amplitud (magnitud del voltaje o corriente) de una señal aplicada a sus terminales de entrada, produciendo una señal de amplitud proporcionalmente mayor en su salida. La cantidad de amplificación proporcionada por un amplificador se mide por su ganancia : la relación entre el voltaje, la corriente o la potencia de salida y la entrada. Un amplificador se define como un circuito que tiene una ganancia de potencia mayor que uno. [2] [3] [4]
Un amplificador puede ser un equipo independiente o un circuito eléctrico contenido dentro de otro dispositivo. La amplificación es fundamental para la electrónica moderna y los amplificadores se utilizan ampliamente en casi todos los equipos electrónicos. Los amplificadores se pueden clasificar de diferentes maneras. Una es por la frecuencia de la señal electrónica que se amplifica. Por ejemplo, los amplificadores de audio amplifican señales en el rango de audio (sonido) de menos de 20 kHz, los amplificadores de RF amplifican frecuencias en el rango de frecuencia de radio entre 20 kHz y 300 GHz, y los servoamplificadores y los amplificadores de instrumentación pueden funcionar con frecuencias muy bajas hasta corriente continua. Los amplificadores también se pueden clasificar por su ubicación física en la cadena de señal ; un preamplificador puede preceder a otras etapas de procesamiento de señal, por ejemplo, [5] mientras que un amplificador de potencia generalmente se usa después de otras etapas de amplificación para proporcionar suficiente potencia de salida para el uso final de la señal. El primer dispositivo eléctrico práctico que podía amplificar fue el tubo de vacío triodo , inventado en 1906 por Lee De Forest , que dio lugar a los primeros amplificadores alrededor de 1912. Hoy en día, la mayoría de los amplificadores utilizan transistores .
El primer dispositivo práctico y destacado que podía amplificar fue el tubo de vacío triodo , inventado en 1906 por Lee De Forest , que dio lugar a los primeros amplificadores alrededor de 1912. Los tubos de vacío se utilizaron en casi todos los amplificadores hasta las décadas de 1960 y 1970, cuando los transistores los reemplazaron. Hoy en día, la mayoría de los amplificadores utilizan transistores, pero los tubos de vacío continúan utilizándose en algunas aplicaciones.
El desarrollo de la tecnología de comunicación por audio en forma de teléfono , patentado por primera vez en 1876, creó la necesidad de aumentar la amplitud de las señales eléctricas para extender la transmisión de señales a distancias cada vez mayores. En telegrafía , este problema se había resuelto con dispositivos intermedios en las estaciones que reponían la energía disipada haciendo funcionar un grabador de señales y un transmisor de forma consecutiva, formando un relé , de modo que una fuente de energía local en cada estación intermedia alimentaba la siguiente etapa de transmisión. Para la transmisión dúplex, es decir, enviar y recibir en ambas direcciones, se desarrollaron repetidores de relé bidireccionales a partir del trabajo de CF Varley para la transmisión telegráfica. La transmisión dúplex era esencial para la telefonía y el problema no se resolvió satisfactoriamente hasta 1904, cuando HE Shreeve de la American Telephone and Telegraph Company mejoró los intentos existentes de construir un repetidor telefónico que consistía en pares de transmisor de gránulos de carbono y receptor electrodinámico consecutivos . [6] El repetidor Shreeve se probó por primera vez en una línea entre Boston y Amesbury, Massachusetts, y dispositivos más refinados permanecieron en servicio durante algún tiempo. Después del cambio de siglo se descubrió que las lámparas de mercurio de resistencia negativa podían amplificar, y también se probaron en repetidores, con poco éxito. [7]
El desarrollo de las válvulas termoiónicas , que comenzó alrededor de 1902, proporcionó un método completamente electrónico para amplificar señales. La primera versión práctica de tales dispositivos fue el triodo Audion , inventado en 1906 por Lee De Forest , [8] [9] [10] que condujo a los primeros amplificadores alrededor de 1912. [11] Dado que el único dispositivo anterior que se utilizó ampliamente para fortalecer una señal fue el relé utilizado en los sistemas telegráficos , el tubo de vacío amplificador primero se llamó relé electrónico . [12] [13] [14] [15] Los términos amplificador y amplificación , derivados del latín amplificare , ( agrandar o expandir ), [16] se usaron por primera vez para esta nueva capacidad alrededor de 1915 cuando los triodos se generalizaron. [16]
El tubo de vacío amplificador revolucionó la tecnología eléctrica. [11] Hizo posibles las líneas telefónicas de larga distancia, los sistemas de megafonía , la radiodifusión , las películas sonoras , la grabación práctica de audio , el radar , la televisión y las primeras computadoras . Durante 50 años, prácticamente todos los dispositivos electrónicos de consumo utilizaron tubos de vacío. Los primeros amplificadores de tubo a menudo tenían retroalimentación positiva ( regeneración ), que podía aumentar la ganancia pero también hacer que el amplificador fuera inestable y propenso a la oscilación. Gran parte de la teoría matemática de los amplificadores se desarrolló en Bell Telephone Laboratories durante la década de 1920 a 1940. Los niveles de distorsión en los primeros amplificadores eran altos, generalmente alrededor del 5%, hasta 1934, cuando Harold Black desarrolló la retroalimentación negativa ; esto permitió que los niveles de distorsión se redujeran en gran medida, a costa de una menor ganancia. Otros avances en la teoría de la amplificación fueron realizados por Harry Nyquist y Hendrik Wade Bode . [17]
Durante 40 años , el tubo de vacío fue prácticamente el único dispositivo amplificador, aparte de los dispositivos de potencia especializados como el amplificador magnético y el amplidyne . Los circuitos de control de potencia utilizaron amplificadores magnéticos hasta la segunda mitad del siglo XX, cuando los dispositivos semiconductores de potencia se volvieron más económicos y con velocidades de funcionamiento más altas. Los antiguos repetidores de carbono electroacústicos Shreeve se utilizaron en amplificadores ajustables en los equipos de abonado telefónico para personas con problemas de audición hasta que el transistor proporcionó amplificadores más pequeños y de mayor calidad en la década de 1950. [18]
El primer transistor funcional fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen y Walter Brattain en 1947 en Bell Labs , donde William Shockley inventó más tarde el transistor de unión bipolar (BJT) en 1948. A ellos les siguió la invención del transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. Debido al escalado MOSFET , la capacidad de reducir la escala a tamaños cada vez más pequeños, el MOSFET se ha convertido desde entonces en el amplificador más utilizado. [19]
La sustitución de los voluminosos tubos electrónicos por transistores durante los años 1960 y 1970 creó una revolución en la electrónica, haciendo posible una gran clase de dispositivos electrónicos portátiles, como la radio de transistores desarrollada en 1954. Hoy en día, el uso de tubos de vacío está limitado a algunas aplicaciones de alta potencia, como transmisores de radio , así como algunos instrumentos musicales y amplificadores audiófilos de alta gama .
A partir de la década de 1970, se conectaron cada vez más transistores en un solo chip, lo que permitió crear escalas de integración más altas (como la integración a pequeña, mediana y gran escala ) en circuitos integrados . Muchos amplificadores disponibles en el mercado hoy en día se basan en circuitos integrados.
Para fines especiales se han utilizado otros elementos activos. Por ejemplo, en los primeros tiempos de las comunicaciones por satélite se utilizaban amplificadores paramétricos . El circuito central era un diodo cuya capacitancia se modificaba mediante una señal de RF creada localmente. En determinadas condiciones, esta señal de RF proporcionaba energía que se modulaba mediante la señal de satélite extremadamente débil recibida en la estación terrestre.
Los avances en la electrónica digital desde finales del siglo XX proporcionaron nuevas alternativas a los amplificadores de ganancia lineal convencionales al utilizar conmutación digital para variar la forma del pulso de señales de amplitud fija, lo que dio lugar a dispositivos como el amplificador de clase D.
En principio, un amplificador es una red eléctrica de dos puertos que produce una señal en el puerto de salida que es una réplica de la señal aplicada al puerto de entrada, pero aumentada en magnitud.
El puerto de entrada se puede idealizar como una entrada de voltaje, que no toma corriente, con la salida proporcional al voltaje a través del puerto; o una entrada de corriente, sin voltaje a través de ella, en la que la salida es proporcional a la corriente a través del puerto. El puerto de salida se puede idealizar como una fuente de voltaje dependiente , con resistencia de fuente cero y su voltaje de salida dependiente de la entrada; o una fuente de corriente dependiente , con resistencia de fuente infinita y la corriente de salida dependiente de la entrada. Las combinaciones de estas opciones conducen a cuatro tipos de amplificadores ideales. [5] En forma idealizada, están representados por cada uno de los cuatro tipos de fuente dependiente utilizados en el análisis lineal, como se muestra en la figura, a saber:
Cada tipo de amplificador en su forma ideal tiene una resistencia de entrada y salida ideal que es la misma que la de la fuente dependiente correspondiente: [20]
En los amplificadores reales no es posible alcanzar las impedancias ideales, pero estos elementos ideales se pueden utilizar para construir circuitos equivalentes de amplificadores reales añadiendo impedancias (resistencia, capacitancia e inductancia) a la entrada y la salida. Para cualquier circuito en particular, a menudo se utiliza un análisis de pequeña señal para encontrar la impedancia real. Se aplica una corriente de prueba de CA de pequeña señal I x al nodo de entrada o salida, todas las fuentes externas se establecen en CA cero y el voltaje alterno correspondiente V x a través de la fuente de corriente de prueba determina la impedancia observada en ese nodo como R = V x / I x . [21]
Los amplificadores diseñados para conectarse a una línea de transmisión en la entrada y la salida, especialmente los amplificadores de RF , no encajan en este enfoque de clasificación. En lugar de tratar el voltaje o la corriente individualmente, lo ideal es que se acoplen con una impedancia de entrada o salida que coincida con la impedancia de la línea de transmisión, es decir, que coincidan las relaciones de voltaje a corriente. Muchos amplificadores de RF reales se acercan a este ideal. Aunque, para una fuente y una impedancia de carga adecuadas dadas, los amplificadores de RF pueden caracterizarse como amplificadores de voltaje o corriente, fundamentalmente están amplificando potencia. [22]
Las propiedades del amplificador están dadas por parámetros que incluyen:
Los amplificadores se describen según las propiedades de sus entradas, sus salidas y cómo se relacionan. [23] Todos los amplificadores tienen ganancia, un factor de multiplicación que relaciona la magnitud de alguna propiedad de la señal de salida con una propiedad de la señal de entrada. La ganancia puede especificarse como la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada ( ganancia de voltaje ), la potencia de salida y la potencia de entrada ( ganancia de potencia ), o alguna combinación de corriente, voltaje y potencia. En muchos casos, la propiedad de la salida que varía depende de la misma propiedad de la entrada, lo que hace que la ganancia no tenga unidades (aunque a menudo se exprese en decibeles (dB)).
La mayoría de los amplificadores están diseñados para ser lineales, es decir, proporcionan una ganancia constante para cualquier nivel de entrada y señal de salida normal. Si la ganancia de un amplificador no es lineal, la señal de salida puede distorsionarse . Sin embargo, existen casos en los que la ganancia variable es útil. Ciertas aplicaciones de procesamiento de señales utilizan amplificadores de ganancia exponencial. [5]
Los amplificadores suelen estar diseñados para funcionar bien en una aplicación específica, por ejemplo: transmisores y receptores de radio y televisión , equipos estéreo de alta fidelidad ("hi-fi"), microcomputadoras y otros equipos digitales, y amplificadores de guitarra y otros instrumentos . Cada amplificador incluye al menos un dispositivo activo , como un tubo de vacío o un transistor .
La retroalimentación negativa es una técnica que se utiliza en la mayoría de los amplificadores modernos para aumentar el ancho de banda, reducir la distorsión y controlar la ganancia. En un amplificador con retroalimentación negativa, parte de la salida se retroalimenta y se suma a la entrada en la fase opuesta, restándose de la entrada. El efecto principal es reducir la ganancia general del sistema. Sin embargo, cualquier señal no deseada introducida por el amplificador, como la distorsión, también se retroalimenta. Como no son parte de la entrada original, se suman a la entrada en fase opuesta, restándolas de la entrada. De esta manera, la retroalimentación negativa también reduce la no linealidad, la distorsión y otros errores introducidos por el amplificador. Grandes cantidades de retroalimentación negativa pueden reducir los errores hasta el punto de que la respuesta del amplificador en sí se vuelve casi irrelevante siempre que tenga una gran ganancia, y el rendimiento de salida del sistema (el " rendimiento de bucle cerrado ") está definido completamente por los componentes del bucle de retroalimentación. Esta técnica se utiliza particularmente con amplificadores operacionales (op-amps).
Los amplificadores sin retroalimentación pueden lograr solo un 1% de distorsión para señales de audiofrecuencia. Con retroalimentación negativa , la distorsión se puede reducir típicamente a 0,001%. El ruido, incluso la distorsión de cruce, se puede eliminar prácticamente. La retroalimentación negativa también compensa los cambios de temperatura y los componentes degradados o no lineales en la etapa de ganancia, pero cualquier cambio o no linealidad en los componentes del bucle de retroalimentación afectará la salida. De hecho, la capacidad del bucle de retroalimentación para definir la salida se utiliza para hacer circuitos de filtro activo .
Otra ventaja de la retroalimentación negativa es que amplía el ancho de banda del amplificador. El concepto de retroalimentación se utiliza en los amplificadores operacionales para definir con precisión la ganancia, el ancho de banda y otros parámetros basados completamente en los componentes del bucle de retroalimentación.
Se puede aplicar retroalimentación negativa en cada etapa de un amplificador para estabilizar el punto de funcionamiento de los dispositivos activos frente a cambios menores en el voltaje de la fuente de alimentación o en las características del dispositivo.
Cierta retroalimentación, positiva o negativa, es inevitable y, a menudo, indeseable; se produce, por ejemplo, por elementos parásitos , como la capacitancia inherente entre la entrada y la salida de dispositivos como los transistores, y el acoplamiento capacitivo del cableado externo. Una retroalimentación positiva excesiva dependiente de la frecuencia puede producir oscilaciones parásitas y convertir un amplificador en un oscilador .
Todos los amplificadores incluyen algún tipo de dispositivo activo: este es el dispositivo que realiza la amplificación real. El dispositivo activo puede ser un tubo de vacío , un componente de estado sólido discreto, como un solo transistor , o parte de un circuito integrado , como un amplificador operacional .
Los amplificadores de transistores (o amplificadores de estado sólido) son el tipo de amplificador más común que se utiliza en la actualidad. Se utiliza un transistor como elemento activo. La ganancia del amplificador está determinada por las propiedades del propio transistor, así como del circuito que lo contiene.
Los dispositivos activos comunes en los amplificadores de transistores incluyen transistores de unión bipolar (BJT) y transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET).
Las aplicaciones son numerosas, algunos ejemplos comunes son los amplificadores de audio en un estéreo doméstico o un sistema de megafonía , la generación de alta potencia de RF para equipos semiconductores y aplicaciones de RF y microondas como transmisores de radio.
La amplificación basada en transistores se puede realizar utilizando varias configuraciones: por ejemplo, un transistor de unión bipolar puede realizar una amplificación de base común , colector común o emisor común ; un MOSFET puede realizar una amplificación de compuerta común , fuente común o drenaje común . Cada configuración tiene características diferentes.
Los amplificadores de tubo de vacío (también conocidos como amplificadores de tubo o amplificadores de válvula) utilizan un tubo de vacío como dispositivo activo. Si bien los amplificadores de semiconductores han desplazado en gran medida a los amplificadores de válvulas para aplicaciones de baja potencia, los amplificadores de válvulas pueden ser mucho más rentables en aplicaciones de alta potencia, como radares, equipos de contramedidas y equipos de comunicaciones. Muchos amplificadores de microondas son amplificadores de válvulas especialmente diseñados, como el klistrón , el girotrón , el tubo de onda viajera y el amplificador de campo cruzado , y estas válvulas de microondas proporcionan una salida de potencia de dispositivo único mucho mayor a frecuencias de microondas que los dispositivos de estado sólido. [24] Los tubos de vacío siguen utilizándose en algunos equipos de audio de alta gama, así como en amplificadores de instrumentos musicales , debido a una preferencia por el " sonido de tubo ".
Los amplificadores magnéticos son dispositivos similares a un transformador en el que se utiliza un devanado para controlar la saturación de un núcleo magnético y, por lo tanto, alterar la impedancia del otro devanado. [25]
Han caído en desuso en gran medida debido al desarrollo de amplificadores de semiconductores, pero aún son útiles en el control de HVDC y en circuitos de control de energía nuclear debido a que no se ven afectados por la radiactividad.
Las resistencias negativas se pueden utilizar como amplificadores, como el amplificador de diodo túnel . [26] [27]
Un amplificador de potencia es un amplificador diseñado principalmente para aumentar la potencia disponible para una carga . En la práctica, la ganancia de potencia del amplificador depende de las impedancias de la fuente y de la carga , así como de la ganancia de corriente y voltaje inherentes. Un diseño de amplificador de radiofrecuencia (RF) generalmente optimiza las impedancias para la transferencia de potencia, mientras que los diseños de amplificadores de audio e instrumentación normalmente optimizan la impedancia de entrada y salida para una carga mínima y una integridad de señal máxima. Un amplificador que se dice que tiene una ganancia de 20 dB podría tener una ganancia de voltaje de 20 dB y una ganancia de potencia disponible de mucho más de 20 dB (relación de potencia de 100), pero en realidad ofrece una ganancia de potencia mucho menor si, por ejemplo, la entrada es de un micrófono de 600 Ω y la salida se conecta a un conector de entrada de 47 kΩ para un amplificador de potencia. En general, el amplificador de potencia es el último "amplificador" o circuito real en una cadena de señal (la etapa de salida) y es la etapa del amplificador que requiere atención a la eficiencia energética. Las consideraciones de eficiencia conducen a las distintas clases de amplificadores de potencia basadas en la polarización de los transistores o tubos de salida: consulte las clases de amplificadores de potencia a continuación.
Los amplificadores de potencia de audio se utilizan normalmente para controlar altavoces . Suelen tener dos canales de salida y entregar la misma potencia a cada uno. Un amplificador de potencia de RF se encuentra en las etapas finales del transmisor de radio . Un controlador de servomotor : amplifica un voltaje de control para ajustar la velocidad de un motor o la posición de un sistema motorizado.
Un amplificador operacional es un circuito amplificador que normalmente tiene una ganancia de lazo abierto muy alta y entradas diferenciales. Los amplificadores operacionales se han utilizado ampliamente como "bloques de ganancia" estandarizados en circuitos debido a su versatilidad; su ganancia, ancho de banda y otras características se pueden controlar mediante retroalimentación a través de un circuito externo. Aunque el término hoy en día se aplica comúnmente a circuitos integrados, el diseño original del amplificador operacional utilizaba válvulas y los diseños posteriores utilizaban circuitos de transistores discretos.
Un amplificador totalmente diferencial es similar al amplificador operacional, pero también tiene salidas diferenciales. Estos suelen construirse utilizando transistores BJT o transistores FET .
Estos utilizan líneas de transmisión balanceadas para separar amplificadores individuales de una sola etapa, cuyas salidas se suman mediante la misma línea de transmisión. La línea de transmisión es de tipo balanceado con la entrada en un extremo y en un solo lado de la línea de transmisión balanceada y la salida en el extremo opuesto también es el lado opuesto de la línea de transmisión balanceada. La ganancia de cada etapa se suma linealmente a la salida en lugar de multiplicarse una sobre la otra como en una configuración en cascada. Esto permite lograr un mayor ancho de banda del que se podría lograr de otra manera incluso con los mismos elementos de la etapa de ganancia.
Estos amplificadores no lineales tienen una eficiencia mucho mayor que los amplificadores lineales y se utilizan cuando el ahorro de energía justifica la complejidad adicional. Los amplificadores de clase D son el principal ejemplo de este tipo de amplificación.
El amplificador de resistencia negativa es un tipo de amplificador regenerativo que puede utilizar la retroalimentación entre la fuente y la compuerta del transistor para transformar una impedancia capacitiva en la fuente del transistor en una resistencia negativa en su compuerta. En comparación con otros tipos de amplificadores, este "amplificador de resistencia negativa" requerirá solo una pequeña cantidad de energía para lograr una ganancia muy alta, manteniendo al mismo tiempo un buen factor de ruido.
Los amplificadores de vídeo están diseñados para procesar señales de vídeo y tienen distintos anchos de banda según si la señal de vídeo es para SDTV, EDTV, HDTV 720p o 1080i/p, etc. La especificación del ancho de banda en sí depende del tipo de filtro que se utilice y en qué punto ( por ejemplo, −1 dB o −3 dB ) se mide el ancho de banda. Se necesitan ciertos requisitos de respuesta en escalón y sobreimpulso para obtener una imagen de TV aceptable. [28]
Los amplificadores de tubo de ondas progresivas (TWTA) se utilizan para amplificar alta potencia a bajas frecuencias de microondas. Por lo general, pueden amplificar en un amplio espectro de frecuencias; sin embargo, no suelen ser tan sintonizables como los klistrones. [29]
Los klistrones son dispositivos especializados de vacío con haz lineal, diseñados para proporcionar una amplificación de alta potencia y ampliamente ajustable de ondas milimétricas y submilimétricas. Los klistrones están diseñados para operaciones a gran escala y, a pesar de tener un ancho de banda más estrecho que los TWTA, tienen la ventaja de amplificar de manera coherente una señal de referencia, de modo que su salida se puede controlar con precisión en amplitud, frecuencia y fase.
Los dispositivos de estado sólido, como los MOSFET de canal corto de silicio, como los FET de semiconductor de óxido metálico de doble difusión (DMOS), los FET de GaAs , los transistores bipolares de heterojunción de SiGe y GaAs / HBT, los HEMT , los diodos IMPATT y otros, se utilizan especialmente en frecuencias de microondas más bajas y niveles de potencia del orden de vatios, específicamente en aplicaciones como terminales de RF portátiles / teléfonos móviles y puntos de acceso donde el tamaño y la eficiencia son los factores determinantes. Están surgiendo nuevos materiales como el nitruro de galio ( GaN ) o el GaN sobre silicio o sobre carburo de silicio / SiC en transistores HEMT y aplicaciones donde se necesita una eficiencia mejorada, un ancho de banda amplio, un funcionamiento aproximado de unos pocos a unas pocas decenas de GHz con una potencia de salida de unos pocos vatios a unos pocos cientos de vatios. [30] [31]
Dependiendo de las especificaciones del amplificador y los requisitos de tamaño, los amplificadores de microondas se pueden realizar como integrados monolíticamente, integrados como módulos o basados en partes discretas o cualquier combinación de ellos.
El máser es un amplificador de microondas no electrónico.
Los amplificadores de instrumentos son una gama de amplificadores de potencia de audio que se utilizan para aumentar el nivel de sonido de los instrumentos musicales, por ejemplo, las guitarras, durante las interpretaciones. El tono de los amplificadores proviene principalmente del orden y la cantidad en que se aplica la ecualización y la distorsión [32]
Un conjunto de clasificaciones para amplificadores se basa en qué terminal del dispositivo es común tanto para el circuito de entrada como para el de salida. En el caso de los transistores de unión bipolar , las tres clases son emisor común, base común y colector común. Para los transistores de efecto de campo , las configuraciones correspondientes son fuente común, compuerta común y drenaje común; para los tubos de vacío , cátodo común, rejilla común y placa común.
El emisor común (o fuente común, cátodo común, etc.) se configura con mayor frecuencia para proporcionar amplificación de un voltaje aplicado entre la base y el emisor, y la señal de salida tomada entre el colector y el emisor se invierte, en relación con la entrada. La disposición del colector común aplica el voltaje de entrada entre la base y el colector, y toma el voltaje de salida entre el emisor y el colector. Esto causa retroalimentación negativa, y el voltaje de salida tiende a seguir el voltaje de entrada. Esta disposición también se utiliza ya que la entrada presenta una alta impedancia y no carga la fuente de señal, aunque la amplificación del voltaje es menor que uno. El circuito de colector común es, por lo tanto, más conocido como seguidor de emisor, seguidor de fuente o seguidor de cátodo.
Un amplificador cuya salida no muestra retroalimentación hacia su lado de entrada se describe como "unilateral". La impedancia de entrada de un amplificador unilateral es independiente de la carga, y la impedancia de salida es independiente de la impedancia de la fuente de señal. [33]
Un amplificador que utiliza retroalimentación para conectar parte de la salida a la entrada es un amplificador bilateral . La impedancia de entrada del amplificador bilateral depende de la carga y la impedancia de salida de la impedancia de la fuente de señal. Todos los amplificadores son bilaterales en algún grado; sin embargo, a menudo se los puede modelar como unilaterales en condiciones de funcionamiento donde la retroalimentación es lo suficientemente pequeña como para ignorarla para la mayoría de los propósitos, lo que simplifica el análisis (consulte el artículo de base común para ver un ejemplo).
Otra forma de clasificar los amplificadores es por la relación de fase de la señal de entrada con la señal de salida. Un amplificador "inversor" produce una salida desfasada 180 grados con respecto a la señal de entrada (es decir, una inversión de polaridad o una imagen especular de la entrada como se ve en un osciloscopio ). Un amplificador "no inversor" mantiene la fase de las formas de onda de la señal de entrada. Un seguidor de emisor es un tipo de amplificador no inversor, lo que indica que la señal en el emisor de un transistor sigue (es decir, coincide con la ganancia unitaria pero quizás con un desfase) la señal de entrada. El seguidor de voltaje también es un tipo de amplificador no inversor que tiene ganancia unitaria.
Esta descripción puede aplicarse a una sola etapa de un amplificador o a un sistema amplificador completo.
Otros amplificadores pueden clasificarse por su función o características de salida. Estas descripciones funcionales suelen aplicarse a sistemas amplificadores completos o subsistemas y rara vez a etapas individuales.
Los amplificadores a veces se clasifican según el método de acoplamiento de la señal en la entrada, la salida o entre etapas. Entre los distintos tipos se incluyen:
Dependiendo del rango de frecuencia y otras propiedades, los amplificadores se diseñan según diferentes principios.
Los rangos de frecuencia que llegan hasta la CC se utilizan solo cuando se necesita esta propiedad. Los amplificadores para señales de corriente continua son vulnerables a pequeñas variaciones en las propiedades de los componentes con el tiempo. Se utilizan métodos especiales, como amplificadores estabilizados por chopper, para evitar desviaciones objetables en las propiedades del amplificador para CC. Se pueden agregar condensadores de "bloqueo de CC" para eliminar la CC y las frecuencias subsónicas de los amplificadores de audio.
Dependiendo del rango de frecuencia especificado, se deben utilizar diferentes principios de diseño. Hasta el rango de MHz, solo se deben considerar las propiedades "discretas"; por ejemplo, un terminal tiene una impedancia de entrada.
En cuanto cualquier conexión dentro del circuito supera quizás el 1% de la longitud de onda de la frecuencia más alta especificada (por ejemplo, a 100 MHz la longitud de onda es de 3 m, por lo que la longitud de conexión crítica es de aproximadamente 3 cm), las propiedades de diseño cambian radicalmente. Por ejemplo, una longitud y un ancho especificados de una pista de PCB se pueden utilizar como una entidad selectiva o de adaptación de impedancia. Por encima de unos pocos cientos de MHz, se vuelve difícil utilizar elementos discretos, especialmente inductores. En la mayoría de los casos, se utilizan en su lugar pistas de PCB de formas muy definidas ( técnicas de línea de banda ).
El rango de frecuencia manejado por un amplificador puede especificarse en términos de ancho de banda (normalmente implicando una respuesta que está 3 dB por debajo cuando la frecuencia alcanza el ancho de banda especificado), o especificando una respuesta de frecuencia que esté dentro de un cierto número de decibeles entre una frecuencia inferior y una superior (por ejemplo, "20 Hz a 20 kHz más o menos 1 dB").
Los circuitos amplificadores de potencia (etapas de salida) se clasifican como A, B, AB y C para diseños analógicos , y clase D y E para diseños de conmutación. Las clases de amplificadores de potencia se basan en la proporción de cada ciclo de entrada (ángulo de conducción) durante el cual un dispositivo amplificador pasa corriente. [35] La imagen del ángulo de conducción se deriva de la amplificación de una señal sinusoidal. Si el dispositivo está siempre encendido, el ángulo de conducción es de 360°. Si está encendido solo durante la mitad de cada ciclo, el ángulo es de 180°. El ángulo de flujo está estrechamente relacionado con la eficiencia energética del amplificador .
El circuito amplificador práctico que se muestra arriba podría ser la base para un amplificador de audio de potencia moderada. Presenta un diseño típico (aunque sustancialmente simplificado) como el que se encuentra en los amplificadores modernos, con una etapa de salida push-pull de clase AB y utiliza cierta retroalimentación negativa general. Se muestran transistores bipolares, pero este diseño también se podría realizar con FET o válvulas.
La señal de entrada se acopla a través del condensador C1 a la base del transistor Q1. El condensador permite el paso de la señal de CA , pero bloquea la tensión de polarización de CC establecida por las resistencias R1 y R2, de modo que ningún circuito precedente se vea afectado por ella. Q1 y Q2 forman un amplificador diferencial (un amplificador que multiplica la diferencia entre dos entradas por alguna constante), en una disposición conocida como par de cola larga . Esta disposición se utiliza para permitir de forma conveniente el uso de retroalimentación negativa, que se alimenta desde la salida a Q2 a través de R7 y R8.
La retroalimentación negativa en el amplificador diferencial permite que el amplificador compare la entrada con la salida real. La señal amplificada de Q1 se alimenta directamente a la segunda etapa, Q3, que es una etapa de emisor común que proporciona una mayor amplificación de la señal y la polarización de CC para las etapas de salida, Q4 y Q5. R6 proporciona la carga para Q3 (un mejor diseño probablemente utilizaría alguna forma de carga activa aquí, como un sumidero de corriente constante). Hasta ahora, todo el amplificador está operando en clase A. El par de salida está dispuesto en push-pull de clase AB, también llamado par complementario. Proporcionan la mayor parte de la amplificación de corriente (mientras consumen una corriente de reposo baja) y controlan directamente la carga, conectada a través del condensador de bloqueo de CC C2. Los diodos D1 y D2 proporcionan una pequeña cantidad de polarización de voltaje constante para el par de salida, simplemente polarizándolos en el estado de conducción para que se minimice la distorsión de cruce. Es decir, los diodos empujan la etapa de salida firmemente al modo de clase AB (asumiendo que la caída de base-emisor de los transistores de salida se reduce por la disipación de calor).
Este diseño es simple, pero es una buena base para un diseño práctico porque estabiliza automáticamente su punto de operación, ya que la retroalimentación opera internamente desde CC hasta el rango de audio y más allá. Probablemente se encontrarían más elementos de circuito en un diseño real que reducirían la respuesta de frecuencia por encima del rango necesario para evitar la posibilidad de oscilaciones no deseadas . Además, el uso de polarización de diodo fija como se muestra aquí puede causar problemas si los diodos no están emparejados eléctrica y térmicamente con los transistores de salida: si los transistores de salida se encienden demasiado, pueden sobrecalentarse fácilmente y destruirse, ya que la corriente total de la fuente de alimentación no está limitada en esta etapa.
Una solución habitual para ayudar a estabilizar los dispositivos de salida es incluir algunas resistencias de emisor, normalmente de un ohmio aproximadamente. El cálculo de los valores de las resistencias y los condensadores del circuito se realiza en función de los componentes empleados y del uso previsto del amplificador.
Cualquier amplificador real es una realización imperfecta de un amplificador ideal. Una limitación importante de un amplificador real es que la salida que genera está limitada en última instancia por la potencia disponible de la fuente de alimentación. Un amplificador satura y recorta la salida si la señal de entrada se vuelve demasiado grande para que el amplificador la reproduzca o excede los límites operativos del dispositivo. La fuente de alimentación puede influir en la salida, por lo que debe tenerse en cuenta en el diseño. La potencia de salida de un amplificador no puede superar su potencia de entrada.
El circuito amplificador tiene un rendimiento de "bucle abierto". Esto se describe mediante varios parámetros (ganancia, velocidad de respuesta , impedancia de salida , distorsión , ancho de banda , relación señal-ruido , etc.). Muchos amplificadores modernos utilizan técnicas de retroalimentación negativa para mantener la ganancia en el valor deseado y reducir la distorsión. La retroalimentación de bucle negativo tiene el efecto deseado de reducir la impedancia de salida y, por lo tanto, aumentar la amortiguación eléctrica del movimiento del altavoz en la frecuencia de resonancia del altavoz y cerca de ella.
Al evaluar la potencia de salida nominal del amplificador, es útil considerar la carga aplicada, el tipo de señal (por ejemplo, voz o música), la duración de la potencia de salida requerida (es decir, de corta duración o continua) y el rango dinámico requerido (por ejemplo, audio grabado o en vivo). En aplicaciones de audio de alta potencia que requieren cables largos hasta la carga (por ejemplo, cines y centros comerciales), puede ser más eficiente conectar la carga a la tensión de salida de línea, con transformadores de adaptación en la fuente y las cargas. Esto evita tendidos largos de cables de altavoz pesados.
Para evitar la inestabilidad o el sobrecalentamiento, es necesario asegurarse de que los amplificadores de estado sólido estén cargados adecuadamente. La mayoría tienen una impedancia de carga mínima nominal.
Todos los amplificadores generan calor a través de pérdidas eléctricas. El amplificador debe disipar este calor mediante convección o refrigeración por aire forzado. El calor puede dañar o reducir la vida útil de los componentes electrónicos. Los diseñadores e instaladores también deben tener en cuenta los efectos del calentamiento en los equipos adyacentes.
Los distintos tipos de fuentes de alimentación dan lugar a distintos métodos de polarización . La polarización es una técnica mediante la cual los dispositivos activos se configuran para funcionar en una región determinada, o mediante la cual el componente de CC de la señal de salida se configura en el punto medio entre los voltajes máximos disponibles en la fuente de alimentación. La mayoría de los amplificadores utilizan varios dispositivos en cada etapa; normalmente, coinciden en sus especificaciones, excepto en la polaridad. Los dispositivos de polaridad invertida coincidentes se denominan pares complementarios. Los amplificadores de clase A suelen utilizar un solo dispositivo, a menos que la fuente de alimentación esté configurada para proporcionar voltajes positivos y negativos, en cuyo caso se puede utilizar un diseño simétrico de dispositivo dual. Los amplificadores de clase C, por definición, utilizan una fuente de polaridad única.
Los amplificadores suelen tener varias etapas en cascada para aumentar la ganancia. Cada etapa de estos diseños puede ser un tipo diferente de amplificador para satisfacer las necesidades de esa etapa. Por ejemplo, la primera etapa puede ser una etapa de clase A, que alimenta una segunda etapa push-pull de clase AB, que luego impulsa una etapa de salida final de clase G, aprovechando las fortalezas de cada tipo y minimizando sus debilidades.
