Circuitos electrónicos

amplificador diferencial a un amplificador cuya salida es proporcional a la diferencia entre sus dos entradas (Vi⁺ y Vi^-). La salida puede ser diferencial o no, pero en ambos casos, referida a tierra compleja.

Tecnología

Amplificador diferencial

El amplificador diferencial (o par diferencial) suele construirse con dos transistores que comparten la misma conexión de emisor, por la que se inyecta una corriente de polarización. Las bases de los transistores son las entradas (I⁺ e I^-), mientras que loscolectores son las salidas. Si se terminan en resistencias, se tiene una salida también diferencial. Se puede duplicar la ganancia del par con un espejo de corriente entre los dos colectores.

Aunque esta descripción se basa en transistores de unión bipolar, lo mismo se puede hacer en tecnología MOS ó CMOS

Aplicaciones

El par diferencial es una base fundamental para la electrónica analógica. Los amplificadores operacionales y comparadores de tensión se basan en él. Así mismo, los multiplicadores analógicos, empleados en calculadoras analógicas y en mezcladores, están basados en pares diferenciales.

Los amplificadores de transconductancia también, básicamente, son pares diferenciales.

En electrónica digital, la tecnología ECL se basa en un par diferencial. Muchos circuitos de interfaz y cambiadores de nivel se basan en pares diferenciales.

Los Amplificadores Operacionales y otros circuitos analógicos, suelen basarse en:

1 – Los amplificadores diferenciales
2 – Etapas de ganancia implementados por amplificadores intermedios acoplados en corriente continua y…
3 – Una etapa de salida tipo push-pull (etapa clase B en contrafase)

El gràfico muesta un diagrama de bloques con la configuración interna de un amplificador operacional. Analizar el gráfico siguiente.

El amplificador diferencial básico tiene 2 entradas V1 y V2.

Si la tensión de V1 aumenta, la corriente del emisor del transistor Q1 aumenta (acordarse que IE = BxIB), causando una caida de tensión en Re.

Si la tensión de V2 se mantiene constante, la tensión entre base y emisor del transistor Q2 disminuye, reduciéndose también la corriente de emisor del mismo transistor. Esto causa que la tensión de colector de Q2 (Vout+) aumente.

La entrada V1 es la entrada no inversora de un amplificador operacional

Del mismo modo cuando la tensión en V2 aumenta, también aumenta la la corriente de colector del transistor Q2, causando que la tensión de colector del mismo transistor disminuya. (Vout+) disminuye.

La entrada V2 es la entrada inversora del amplificador operacional

Si el valor de la resistencia RE fuera muy grande, obligaría a la suma de las corrientes de emisor de los transistor Q1 y Q2, a mantenerse constante, comportándose como una fuente de corriente. Entonces, al aumentar la corriente de colector de un transistor, disminuirá la corriente de colector del otro transistor.

Amplificador electrónico puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este, como un equipo modular que realiza la misma función; y que normalmente forma parte de los equipos HIFI. Su función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa.

Circuito amplificador HIFI Clase D, de 200W RMS sobre altavoz de 4 Ohm.

Características

El amplificador puede realizar su función de manera pasiva, variando la relación entre la corriente y el voltaje, manteniendo constante la potencia (de manera similar a un transformador), o de forma activa, tomando potencia de una fuente de alimentación y aumentando la potencia de la señal a su salida del amplificador, habitualmente manteniendo la forma de la señal, pero dotándola de mayor amplitud.

La relación entre la entrada y la salida del amplificador puede expresarse en función de la frecuencia de la señal de entrada, lo cual se denomina función de transferencia, que indica la ganancia de la misma para cada frecuencia. Es habitual mantener un amplificador trabajando dentro de un determinado rango de frecuencias en el que se comporta de forma lineal, lo cual implica que su ganancia es constante para cualquier amplitud de entrada.

El componente principal de estos amplificadores, denominado elemento activo, puede ser un tubo de vacío o un transistor. Las válvulas de vacío todavía suelen utilizarse en algunos amplificadores especialmente diseñados para audio, preferida en algunos estilos musicales por su respuesta en frecuencia. Los transistores suponen la base de la electrónica moderna. Con ellos se diseñan circuitos más complejos, como los amplificadores operacionales, que a su vez se usan en otros como losamplificadores de instrumentación.

Clases de amplificador

Clase A

Son amplificadores que consumen corrientes continuas altas de su fuente de alimentación, independientemente de la existencia de señal en la entrada. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante cantidad de calor, que ha de ser disipada. Esto provoca un rendimiento muy reducido, al perderse una parte importante de la energía que entra en él. Es frecuente en circuitos de audio y en equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran calidad de sonido, al ser muy lineal, con poca distorsión.Son amplificadores que trabajan con la onda completa.

Tiene una corriente de polarización igual a aproximadamente la mitad de la corriente de salida maxima que pueden entregar. Los amplificadores de clase A a menudo consiste en tres transistores de salida, conectado directamente un terminal a la fuente de alimentación y el otro a la carga. Cuando no hay señal de entrada la corriente fluye directamente del negativo al positivo de la fuente de alimentación, consumiéndose potencia sin resultar útil.

Clase B

Clase B.

Los amplificadores de clase B se caracterizan por tener intensidad casi nula a través de sus transistores cuando no hay señal en la entrada del circuito. Ésta es la que polariza los transistores para que entren en zona de conducción, por lo que el consumo es menor que en la clase A, aunque la calidad es algo menor debido a la forma en que se transmite la onda. Se usa en sistemas telefónicos, transmisores de seguridad portátiles, y sistemas de aviso, aunque no en audio.

Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización infinita. Tienen una distorsión notable con señales pequeñas, denominada distorsión de cruce por cero, porque sucede en el punto que la señal de salida cruza por su nivel de cero volt a.c. y se debe justamente a la falta de polarización, ya que en ausencia de esta, mientras la señal no supere el nivel de umbral de conducción de los transistores estos no conducen.

Clase C

Los amplificadores de clase C son conceptualmente similares a los de clase B en que la etapa de salida ubica su punto de trabajo en un extremo de su recta de carga con corriente de polarización cero. Sin embargo, su estado de reposo (sin señal) se sitúa en la zona de saturación con alta corriente, o sea el otro extremo de la recta de carga.

El amplificador clase «C» es exclusivo de «RF». Utiliza como «carga» un circuito tanque. La característica principal de este amplificador es que el elemento activo conduce menos de 180º, de una señal senoidal aplicada a su entrada. Es decir, que amplifica solo una porción de la señal. Su otra característica, no menos importante es la de su alto rendimiento en potencia.

Clase AB

Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como un clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión de cruce por cero de la clase B.

Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una grande corriente de polarización fluyendo entre los terminales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al máximo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción.

Clase D

Los amplificadores de clase D tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95% (teóricamente ente el 90% y el 100%), lo que reduce la superficie necesaria de los disipadores de calor , y por tanto el tamaño y peso general del circuito.

Aunque con anterioridad se limitaban a dispositivos portátiles o subwoofers, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes, con tecnología más moderna existen amplificadores de clase D para toda la banda de frecuencias, con niveles de distorsión similares a los de la clase AB.

Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en zonas de corte o de saturación, casos en los que la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula, salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de maximizar el rendimiento.

Esta señal conmutada puede generarse de diversas formas, aunque la más común es la modulación por ancho de pulso. Ésta debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de la señal, para lo que la frecuencia de conmutación debe ser al menos 10 veces superior al ancho de banda de la señal.

Los amplificadores de clase D requieren un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética que emiten y evitar, así, que interfieran en equipos cercanos, típicamente en la banda de FM.

Otras clases

Las clases E, G y H no están estandarizadas como las A y B. Se trata de variaciones de los circuitos clásicos, que dependen de la variación de la tensión de alimentación para minimizar la disipación de energía en los transistores de potencia en cada momento, dependiendo de la señal de entrada.

Amplificadores operacionales con realimentación negativa

Nombre	Ecuaciones	Descripción
Amplificadores operacionales con realimentación negativa
Seguidor	$V_{out}=V_{in}$	Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa).
Amplificador inversor	$V_{out}=-V_{in}\frac{R_f}{R_{in}}$	La señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) multiplicada por una constante y de signo contrario (fase invertida 180 grados).
Amplificador no inversor	$V_{out}=V_{in}\left(1+\frac{R_2}{R_1}\right)$	Amplifica la señal de entrada multiplicándola por una constante.
Sumador	$V_{out} = -R_f\left(\frac{V_1}{R_1} + \frac{V_2}{R_2}+ \dots + \frac{V_n}{R_n}\right)$	Su salida es proporcional a la suma, ponderada o no, de los valores de entrada.
Restador	$V_{out} = V_2 \left( { \left( R_3 + R_1 \right) R_4 \over \left( R_4 + R_2 \right) R_1} \right) - V_1 \left( {R_3 \over R_1} \right)$	La salida es proporcional a la resta de las entradas. También es llamado amplificador diferencial.
Derivador	$V_{out} = - R C \, {d V_{in} \over dt}$	Es un circuito que no se suele usar en la práctica ya que no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.
Integrador	$V_{out} = \int_0^t - {V_{in} \over RC} \, dt + V_{inicial}$	El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en elcondensador hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador.