Contidos:
Os compoñentes que forman os circuítos electrónicos se clasifican en dous tipos:
Dispositivos pasivos: funcionan sen alimentación externa. Dispositivos activos: requiren alimentación externa DC.
Os amplificadores son circuítos electrónicos activos (proporcionan ganancia) deseñados para elevar o nivel de potencia, tensión ou intensidade dos sinais que recibe pola súa entrada.
Por exemplo:
$$V_{out}=G\cdot V_{in}$$
A fórmula anterior expresa a función de transferencia dun circuíto amplificador en tensión. Isto é, o que se obtén á saída en función do que se aporta na entrada. Mirando os oscilogramas, podemos ver que o circuíto ten unha ganancia de 3 V/V (adimensional). No tema 2 traballamos a medición de ganancias en decibelios, que é unha unidade útil cando se manexan rangos moi amplos.
O transistor é un compoñente electrónico semiconductor (xeralmente de silicio ou xermanio). Creado en 1949, é un compoñente activo que serve para controlar correntes eléctricas. Non é o primeiro que cumpre esta función, xa que as válvulas ocupaban esa labor anteriormente, pero a súa creación supuxo o principio da miniaturización na electrónica, e o detonante da revolución informática.
|
Segundo a Lei de Moore, cada dous anos se duplica o número de transistores que se poden implementar por unidade de superficie. Isto se traduce en melloras na potencia de cálculo dos equipos electrónicos. |
|---|
Os transistores bipolares (BJT, Bipolar Junction Transistors) están formados pola unión de tres capas de material semicondutor (como dous diodos), dando lugar a dous tipos de combinacións:
Os terminais son base, emisor e colector.
No polímetro pode haber detector de patas, pero tamén se pode facer sabendo que a impedancia C-E é elevada e a B-E é a menor das outras dúas. Vídeo explicativo.
Segundo o circuíto no que traballen, poden ser amplificadores en corrente, en tensión, ou en ambos. Isto depende do montaxe. Ten en conta que o transistor ten tres patas, e nel se conectan tres sinais:
Tendo en conta o anterior, temos tres tipos de montaxes con transistor bipolar: emisor común, base común, e colector común. A pata que acompaña ó nome é a de alimentación DC, e dúas restantes serán as de entrada e saída:
| Entrada | Saída | |
|---|---|---|
| Base común | Emisor | Colector |
| Emisor común | Base | Colector |
| Colector común | Base | Emisor |
Ten en conta que a pata á que se lle chama “común” pode levar a masa ou ben o positivo da tensión de alimentación.
Esta decisión de deseño provoca que o circuíto se comporte como amplificador en tensión, en corrente, ou en ambos. Tamén fai que funcione en modo inversor ou non inversor:
| Emisor común | Colector común | Base común | |
|---|---|---|---|
| Ganancia en tensión | Si | Non | Si |
| Ganancia en corrente | Si | Si | Non |
| Impedancia de entrada | Media | Alta | Baixa |
| Impedancia de saída | Media | Baixa | Alta |
| Inversión de fase (180º) | Si | Non | Non |
Os transistores teñen os seguintes modos de funcionamento:
Parámetros de cada rexión de funcionamento:
| Corte | Zona activa | Saturación |
|---|---|---|
| $V_{BE}<0.7\ V$ $I_C=0\ A$ |
$V_{BE}=0.7\ V$ $I_C$ proporcional a $I_B$ |
$V_{BE}=0.7\ V$ $V_{CE}=0.2\ V$ $I_C$ máxima, non proporcional a $I_B$ |
Na zona activa, sucede que $I_C=\beta \cdot I_B$. O termo $“\beta”$ é a ganancia en corrente (A/A). Isto da a entender que $I_B$ é a corrente de entrada e $I_C$ a de saída, pero iso dependerá do tipo de circuíto (emisor común…), como vimos antes.
Para saber cómo se calculan circuítos sinxelos con transistores bipolares (saber o seu estado de funcionamento, as súas correntes…), visita os apuntes de Electrónica Analóxica da profesora Teresa Mancebo. O proceso matemático consiste en supoñer zona activa e calcular ata obter todos os parámetros ou obter unha contradicción.
Como se escolle o transistor preciso? Atendendo ós dous parámetros fundamentais do circuíto que queremos deseñar:
O rendemento eléctrico ou eficiencia, $\eta$ é a relación entre a potencia eléctrica que consume un amplificador e a que entrega na súa saída.
$$\eta=\frac{P_{out}}{P_{cc}}$$Nun amplificador en corrente se calculará dividindo a corrente que vai á carga de saída (eficaz rms) entre a corrente de polarización (continua).
Os circuítos para transistores de potencia (de alta potencia) se dividen na seguinte clasificación:
Máis información en Wikipedia, en Unicrom, e en ElectronicsTutorials.
Trátase dun amplificador en corrente, non en tensión. Podes comprobalo metendo osciloscopio cunha sonda á entrada e outra á saída. Realiza a práctica con amplificadores de potencia. Aguantan moita máis corrente que os de pequena sinal.
| $$I_C=\ ......A$$ | $$V_{CE}=\ ......V$$ |
|---|---|
| $$I_B=\ ......A$$ | $$V_{BE}=\ ......V$$ |
| $$V_{in}(rms)= \ ......V$$ | $$I_{dc,\ (fonte\ de\ 18Vdc)}=\ ......A$$ |
|---|---|
| $$V_{out}(rms)= \ ......V$$ | $$P_{dc,\ (fonte\ de\ 18Vdc)}=\ ......W$$ |
| $$P_{out}(rms)= \ ......W$$ | $$\eta=\ ......\%$$ |
| $$V_{in}(rms)= \ ......V$$ | $$I_{dc,\ (fonte\ de\ 18Vdc)}=\ ......A$$ |
|---|---|
| $$V_{out}(rms)= \ ......V$$ | $$P_{dc,\ (fonte\ de\ 18Vdc)}=\ ......W$$ |
| $$P_{out}(rms)= \ ......W$$ | $$\eta=\ ......\%$$ |
| $$I_{RL}$$ | $$I_{C_1}$$ | $$I_{C_2}$$ | $$V_{CE_1}$$ | $$V_{BE_1}$$ | $$V_{CE_2}$$ | $$V_{BE_2}$$ | $$I_{cc}$$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
$$f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$$
Os amplificadores operacionais, operational amplifiers (opamps) son amplificadores cunha entrada diferencial (dúas entradas que se restan) e elevada ganancia en lazo aberto.
As súas características de operación non son fixas senón que as determinan os elementos de realimentación utilizados (vamos, o resto do circuíto). Son amplificadores en tensión na maioría dos casos. Non son adecuados para traballar en frecuencias por encima de 400 kHz nin en potencia. Como indica o nome, están pensados para realizar operacións matemáticas con facilidade.
Isto é o interior dun amplificador operacional:
Nos anos 60 fixéronse os primeiros en C.I. (circuíto integrado, integrated circuit). Algúns modelos populares son o LM741, o LM324, LM358, TL072 ou o LM386 (típico de audio). En calquer IC, debes fixarte na “muesca” que indica onde empezan a contar os pines. Ademais debes colocalos correctamente na protoboard (ver debuxo).
Pins (conexións) de entrada e saída:
Pins de alimentación:
En lazo aberto (sen realimentación), temos que a ganancia en tensión, G, a, $A_v=\infty$.
O amplificador só responde á diferencia de tensión entre os 2 terminais de entrada. A tensión de entrada (Vd) é a diferencia das dúas que se apliquen nas entradas:
$$V_d=V_+-V_-$$ $$V_o=a\cdot V_d=a\cdot (V_+-V_-)$$Como non é posible que $V_{out}=\infty$, o ampli entrará en saturación positiva ou negativa (entregará a tensión máis elevada que poda, que será a de alimentación):
No tema 7a se trata a adaptación de impedancias en voltaxe e en potencia. O opamp é adecuado para adaptación de impedancias en voltaxe (típica de audio), na que se busca que a impedancia de entrada da etapa actual sexa maior ou igual que a impedancia de saída da anterior. Nos opamps, idealmente $Z_i=\infty$, e $Z_o=0$.
Como $R_i=\infty$, a corrente que entra ou sae dos terminais de entrada tamén é cero:
$$I_p=0\ ;;\ I_n=0$$Realimentación. Ata agora vimos o operacional en lazo aberto, pero na realidade traballaremos en realimentación ou feedback. A realimentación é a unión entra a saída dun equipamento e polo menos unha das súas entradas:
En realimentación negativa se cumpre que $I_p=0$, $I_n=0$ e tamén que a tensión é igual nas dúas entradas: $V_+=V_-$
Seguidor ou buffer: Únese a saída directamente coa entrada inversora. A entrada non inversora funciona de entrada de tensión. A súa ganancia é “1”. Serve para proporcionar illamento e separar etapas.
A función de transferencia é $V_{out}=V_{in}$
Amplificador inversor: Como identificalo? A tensión de entrada (Vin) se introduce pola entrada inversora. Neste circuíto R1 e R2 forman un divisor de tensión.
A función de transferencia é:
$$V_{out}=\frac{-R_2}{R_1}\cdot V_{in} \ \ \text{ por tanto }\ \ G=\frac{-R_2}{R_1}$$Amplificador non inversor: A tensión de entrada (Vin) se introduce pola entrada non inversora. R1 e R2 forman un “divisor de voltaxe” da Vout.
A función de transferencia é:
$$V_{out}=(1+\frac{R_2}{R_1})\cdot V_{in} \ \ \text{ por tanto }\ \ G=1+\frac{R_2}{R_1}$$Amplificador diferencial (restador): A saída deste circuíto é proporcional á diferencia das entradas. É como un inversor e non inversor xuntos. Analízase por superposición.
A función de transferencia é:
$$V_{out}=\frac{R_2}{R_1}\cdot (V_{in\ 2}-V_{in\ 1})\ \ \text{ por tanto }\ \ G=\frac{R_2}{R_1}$$Moi útil se as resistencias son iguais dous a dous. Serve para desbalancear sinais.
Sumador non inversor: A saída é proporcional á suma das “N” entradas. Analízase como un “non inversor” ó que se lle trata cada entrada por separado (teorema de superposición).
A función de transferencia é:
$$V_{out}=\frac{R_2}{R_1}\cdot (V_{in\ 1}+V_{in\ 2}+...+V_{in\ "n"})\ \ \text{ por tanto }\ \ G=\frac{R_2}{R_1}$$Sumador inversor: Igual que antes pero en modo inversor. A saída é proporcional á suma das entradas cambiada de signo. O teorema de superposición é o teu mellor amigo.
A función de transferencia é:
$$V_{out}=\frac{-R_2}{R_1}\cdot (V_{in\ 1}+V_{in\ 2}+...+V_{in\ "n"})\ \ \text{ por tanto }\ \ G=\frac{-R_2}{R_1}$$Viñeta cómica: El amor es un amplificador operacional
Nesta práctica se explican os pasos para a realización duns amplficadores inversores e non inversores en NI Multisim, pero pódela facer no software que prefiras ou en protoboard.
AC_POWER ou AC_VOLTAGE (o primeiro configúrase en base á $V_{rms}$, o segundo en base a $V_{peak}$. Prepara un sinal complexo sumando (poñendo en serie) 4 fontes en serie:
Mide no osciloscopio e tamén no analizador de espectro. Comenta as medidas. Que tipo de sinal estamos tratando de emular? En banda base ou modulado?
Agora conecta as fontes do primeiro exercicio á entrada do circuito. Pon na memoria:
“POTENTIOMETER_RATED”) mantendo a ganancia máxima. Se varías o potenciómetro, o circuíto pode tanto amplificar como atenuar. Pensa unha maneira de que evitar que atenúe.Os filtros son dispositivos electrónicos que atenúan un determinado rango de frecuencias e deixan pasar o resto de frecuencias sen alterar (filtros pasivos) ou amplificándoo (filtros activos).
Idealmente, os filtros teñen un comportamento abrupto ó chegar á frecuencia de corte. Na realidade non é así. A frecuencia de corte dun filtro, $f_c$ é a frecuencia á cal o nivel de saída cae -3dB sobre o nivel da banda de paso.
Temos as seguintes zonas de funcionamento segundo o lugar do espectro no que nos atopemos:
Os filtros de primeiro orde (n=1), como o da figura de arriba, teñen unha atenuación de -20 decibelios partido de década na banda de transición. Para n=2, -40dB/déc; n=3, -60dB/déc. Dous filtros de orde “1” colocados en cascada fan un filtro de n=2, e así sucesivamente. Cando se traballa con filtros activos, se pode conseguir filtros de orde superior nun só bloque, aínda que tamén se adoita poñer varios en cascada.
|
Unha década é o ancho de banda comprendido entre unha frecuencia dada e 10 veces esa frecuencia. Exemplo: de 100 kHz a 1 MHz. O papel semilogarítmico permite representar diagramas de Bode, que son útiles para representar o comportamento dos filtros con precisión. |
|---|
Simboloxía de filtros:
Os filtros activos teñen a mesma simboloxía engadindo o amplificador:
Os seguintes exercicios forman unha práctica de filtros pasivos RC. Material necesario:
O montaxe é o mesmo de antes, pero agora debes medir Vout patas da resistencia.
Podemos lograr filtros pasa banda e pasa banda eliminada xuntando etapas pasa-baixa e pasa-alta, e combinando compoñentes. Ver apuntes.
Tamén existen filtros LC con montaxes “T” e en “π”, que outorgan maior planicidade na banda de paso. Ver apuntes. Apartado 3.11, filtros prácticos.
Trátase dun duplexor que une dúas sinais: Unha de RF e outra RF que se utilizará para alimentación de equipos remotos:
É o sistema que se utiliza en recepción de TV para alimentar parabólicas (LNB), amplificadores de baixo ruído (LNA), filtros de telefonía móbil LTE, e en xeral dispositivos que se monten en exteriores. É o equivalente ó PoE que vimos no tema 6, coa diferencia de que no PoE se transmiten sinais Manchester en banda base e aquí tratamos sinais modulados cun ancho de banda limitado e non iniciado en 0 Hz.
Un filtro activo é un amplificador que á vez ten a función de filtrar. Dous filtros de primeiro orde en cascada coa mesma frecuencia de corte serán un filtro de 2ª orde con unha selectividade de 40dB/déc.
A forma máis sinxela de facer un filtro activo é unindo unha etapa pasiva a un amplificador non inversor, pero se poden lograr células máis sinxelas de primeiro orde a partir de amplificadores derivadores e integradores.
Filtro paso alto (amplificador derivador compensado):
O desfase depende da frecuencia do sinal de entrada.
Filtro paso baixo (amplificador integrador compensado):
Filtro paso banda. Realízase mediante o acoplo derivador-integrador.
AC_VOLTAGE de 500mVp e 100Hz.
AC_VOLTAGE de 1Vpp e 5kHz.
AC_VOLTAGE en Vin e irlle variando a frecuencia. Axúdate do cálculo da frecuencia de corte.Todavía soño coas células de Rauch e Sallen-Key.
Ti non tes por que someter ós teus alumnos a experiencias traumáticas. No seu lugar, podes utilizar FilterWiz Lite.
UD04_A01_Amplificadores CSELE02__MP0551_V000402_UD04_A02_Filtros.zip. Recurso creado por Dolores García Mateo e Sabino Vidal Garea. Dispoñible en edu.xunta.es/programacións → Recursos.UD04_A02_Filtros CSELE02_ MP0551_V000401_UD04_A01_Amplificadores Recurso creado por Dolores García Mateo e Sabino Vidal Garea. Dispoñible en edu.xunta.es/programacións → Recursos.Escolle e realiza unha das seguintes opcións:
Se optas por simulación de circuítos, podes utilizar o software que ti prefiras. Calquera das opcións prácticas require a entrega dunha memoria con explicacións e fotografías dos pasos. Entrega en formato PDF/ZIP na páxina da tarefa. Dúbidas no foro de consultas. Non esquezas facer o cuestionario deste tema.
Creado para G1701016 – “Radiocomunicacións prácticas” por Daniel Ríos Suárez
Licenciado baixo a Licenza Creative Commons Recoñecemento Compartir igual 4.0
Este curso virtual elaborouse para ser impartido no plan anual de formación do profesorado de FP da Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria, Xunta de Galicia
Quedan fora desta licenza os textos, imaxes, recursos... que manteñen a súa propia licenza, sinalada en cada caso.
Úsanse imaxes e recursos de producción propia, que se publican no Dominio público ou con licenza CC BY-SA, outras de dominio público, con licenza creative commons, GNU... tomados prefentemente de bancos de recursos educativos abertos. Tamén se empregan ---acolléndose ao "Dereito de cita" --- imaxes, e recursos diversos de diferentes páxinas web, e se enlaza a súa licenza ao pé dos propios recursos ou na páxina coa atribución da propiedade intelectual dos ODE empregados, dereitos reservados que manteñen integramente. Se detecta algunha imaxe, recurso... con dereitos reservados, agradecemos nos informe para retirala.