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«Terminología electrónica»

En electrónica, la ganancia, en lo referido a señales eléctricas, es una magnitud que expresa la relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a la señal de entrada. Por lo tanto, la ganancia es una magnitud adimensional, que se mide en unidades como belio (símbolo: B) o submúltiplos de éste como el decibelio (símbolo: dB).

Por ejemplo, si la potencia de salida de un amplificador es 40 W (vatios) y la de entrada era de 20 W, la ganancia sería de 10 log (40 W / 20 W) ≈ 3,0103 dB.

Cuando la ganancia es negativa (menor que 0), hablamos de atenuación. Así, en el ejemplo anterior pero al revés: 40 W de entrada, frente 20 W de salida, el resultado sería de -3,0103 dB. No hablaríamos de una ganancia de -3 dB, sino de una atenuación de 3 dB.Aunque la ganancia, como se ha dicho, es adimensional, sin embargo se refiere a cierta magnitud, con lo que tenemos:¹

Ganancia de potencia, definida como $G_P = \frac {P_\mathrm{salida}} {P_\mathrm{entrada}}$ y expresada en decibelios es $G_P (\mathrm{dB}) = 10 \cdot \log_{10} {\frac {P_\mathrm{salida}} {P_\mathrm{entrada}}}$
Ganancia en tensión, de forma similar a la anterior: $G_V = \frac {V_\mathrm{salida}} {V_\mathrm{entrada}}$ y expresada en decibelios es $G_V (\mathrm{dB}) = 20 \cdot \log_{10} \frac {V_\mathrm{salida}} {V_\mathrm{entrada}}$
Ganancia en corriente, de forma similar a la anterior: $G_I = \frac {I_\mathrm{salida}} {I_\mathrm{entrada}}$ y expresada en decibelios es $G_I (\mathrm{dB}) = 20 \cdot \log_{10} \frac {I_\mathrm{salida}} {I_\mathrm{entrada}}$

Estas ganancias se relacionan entre ellas a través de las impedancias de entrada y salida del circuito, pero se tiene una idea de sus magnitudes mediante las relaciones siguientes:

G_P = G_V \cdot G_I

y, si las impedancias son iguales,

G_P = G_V^2

Además existen ganancias "especiales" para determinados componentes:

Ganancia de antena. Es la relación entre la potencia entregada por la antena y la potencia que entregaría una antena isotrópica.
Ganancia de conversión. En el caso de mezcladores, determina la potencia de salida, a la frecuencia 2, dividida por la potencia de entrada, a frecuencia 1.
Ganancia de transducción. Es la relación entre la potencia de una magnitud de entrada, por ejemplo: presión, y la potencia eléctrica entregada.
La unidad relativa de medida para ganancias es el belio (B) o múltiplos de éste; generalmente se utiliza el decibelio (dB). Como la unidad de medida de ganancia siempre expresa una relación entre dos magnitudes, en particular en el caso del decibelio especificaremos de qué tipo de decibelio estamos hablando, acompañando al dB.

dB_SPL: Hace referencia al nivel de presión sonora. Es la medida que usamos al hablar de ganancia o atenuación de volumen.
dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a 1 vatio (1W). Así, a 1 W le corresponden 0 dBW.
dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy pequeño, se usa el milivatio (mW). Así, a 1 mW le corresponden 0 dBm.
dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 V. 0,7746 V es la tensión que aplicada a una impedancia de 600 Ω, disipa una potencia de 1 mW (es decir, $\sqrt {\frac {600}{1000}} = \sqrt {\frac {3}{5}} = 0,774596669... V\,\!$ ). Se emplea la referencia de una impedancia de 600 Ω por razones históricas.

Figura 10.4 Amplificador BJT en cascode.

CONEXIÓN DARLINGTON DEL BJT

La conexión Darlington o conexión de "super Beta" mostrada en la figura 10.5, tiene una ganancia de corriente por lo general de miles y está dada por:

Figura 10.5 Conexión Darlington de transistores.

El siguiente ejemplo muestra el análisis de polarización en cd.

CONEXIÓN CMOS COMPLEMENTARIA. INVERSOR LÓGICO CMOS

Un tipo de circuito común en el diseño digital utiliza transistores MOSFET de tipo incremental tanto de canal-n como de canal-p como se muestra en la figura 10.6. Se denomina MOSFET complementario o circuito CMOS puesto que utiliza estos tipos opuestos (o complementarios) de MOSFET. La entrada Vi, se aplica a ambas compuertas y la salida se toma de los drenajes conectados. La conexión CMOS de la figura 10.6 ofrece una operación como la de un inversor lógico donde VO es opuesto a Vi como se muestra en la siguiente tabla.

Circuitos especializados

CIRCUITO FUENTE DE CORRIENTE

Una fuente de corriente ideal proporciona una corriente constante sin importar la carga conectada a ella. Una fuente de corriente ideal tiene una R=(, mientras que una fuente de corriente práctica incorpora una R muy grande. La siguiente tabla muestra fuentes de corriente constante prácticas construidas a partir de distintos tipos de transistor.

CIRCUITO ESPEJO DE CORRIENTE

Un circuito espejo de corriente se forma a partir de una configuración simétrica de transistores, y tiene la particularidad de que la corriente circulante por el colector de un transistor es reflejada en el colector del transistor opuesto. La siguiente tabla muestra algunos circuitos espejos de corriente formados a partir de transistores BJT.

Circuitos espejos de corriente

CIRCUITO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

El circuito mostrado en la figura 10.7 correspondiente al amplificador diferencial básico, que consiste en un arreglo de dos transistores BJT en serie con dos resistores Rc conectados al colector y unidos entre sí por medio del emisor, así mismo dos señales de entrada Vi1 y Vi2 se aplican a la base de cada BJT, obteniéndose dos señales a la salida Vo1 y Vo2, aunque el diseño posee dos fuentes de alimentación +VCC y -VEE el amplificador diferencial puede operar con solo una de ellas.

Figura 10.7 Circuito amplificador diferencial básico

Las posibles combinaciones en las señales de entrada se listan a continuación:

Terminal simple. Una entrada con señal y la otra entrada conectada a tierra, puesto que ambos transistores se unen en emisor común, la salida será en ambos colectores.
Terminal doble. Dos señales de entrada de polaridad opuesta. Resultan en salidas distintas en ambos colectores.
Modo común. La misma señal aplicada a ambas entradas. Las señales de entrada se cancelan obteniéndose a la salida una señal mínima.

La principal característica del amplificador diferencial es la ganancia muy alta que se obtiene cuando se aplican señales opuestas en las entradas (terminal doble), en comparación con la ganancia tan baja que se obtiene de las entradas comunes (modo común).

POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EN CD.

POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EN AC

El análisis del amplificador diferencial en ca es muy simple si se tiene en cuenta que el valor numérico de la ganancia en ca es diferente a la ganancia en cd para una misma configuración. La siguiente tabla resume la ganancia en ca para las tres configuraciones del amplificador diferencial estudiadas.

Ganancia de voltaje de ca del amplificador diferencial de terminal simple

Ejemplo demostrativo. Calcule el voltaje de salida de la terminal simple, VO1, para el circuito de la figura 10.9.

Figura 10.9 Circuito de amplificador diferencial, análisis de ca.

Solución.

Es posible demostrar que la ganancia en ca para la el circuito amplificador diferencial de terminal simple esta dada por:

A manera de comparación se calculará a continuación la ganancia en ca si los BJT del circuito amplificador diferencial de la figura 10.9 se conectan en modo común.