Los amplificadores están presentes en todos los componentes electrónicos modernos. Alimentan el circuito amplificador de audio, los sistemas de comunicación y los procesadores de señales. En el núcleo de cada amplificador se encuentra su diagrama de circuito: un mapa que muestra cómo se conectan los componentes para amplificar las señales sin distorsionar su forma de onda original. Por lo tanto, comprender el diagrama de circuito del amplificador es fundamental para cualquier persona que trabaje con electrónica.
Esta guía explica cómo funcionan los circuitos amplificadores, qué partes utilizan y brinda consejos de diseño importantes que necesita conocer.
¿Qué es un amplificador?
Un amplificador es un dispositivo que amplifica las señales débiles. No altera la forma de la señal original, simplemente aumenta su tamaño. Encontrarás amplificadores en todo tipo de dispositivos, desde smartphones hasta torres de radio. En esencia, un amplificador toma una pequeña entrada y produce una mayor salida. Esto se denomina ganancia.
La ganancia se puede medir en voltaje, corriente o potencia, según el diseño. No todos los amplificadores son iguales. Algunos están diseñados para manejar señales de audio diminutas. Otros están diseñados para impulsar una potencia masiva a través de altavoces.
Los amplificadores utilizan dispositivos activos como:
• transistores de unión bipolar (BJT)
• transistores de efecto de campo (FET)
• amplificadores operacionales (op-amps)
Los componentes pasivos (resistencias y condensadores) ayudan a controlar la polarización, el acoplamiento y garantizan la estabilidad.
Cómo funciona un transistor como amplificador
Un transistor es como una puerta inteligente para la corriente eléctrica. Controla un gran flujo con una pequeña entrada. Ese es el secreto de la amplificación. Imagine que aplica una pequeña corriente a una parte del transistor, llamada base. Esta pequeña presión abre un camino entre otras dos partes: el colector y el emisor.
Ahora, puede circular una corriente mucho mayor. Es como usar el dedo para abrir una compuerta. No se necesita mucha fuerza. Simplemente se controla algo mucho más grande. En términos técnicos, el transistor opera en su región activa. Aquí, la corriente de salida está directamente ligada a la entrada. Cuanto más se presiona en la base, más se obtiene en la salida, pero a mayor escala.
Así es como pequeñas señales, como un susurro proveniente de un micrófono, se transforman en algo lo suficientemente fuerte como para hacer funcionar un altavoz.
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Componentes clave en un diagrama de circuito amplificador
Un diagrama de circuito amplificador destaca varios componentes esenciales que trabajan juntos para lograr la amplificación. Cada componente tiene una función específica. Por lo tanto, cualquier desviación puede afectar el rendimiento del circuito.
Dispositivos activos (transistor o amplificador operacional)
Este es el corazón del amplificador. Un transistor de unión bipolar (BJT) o un amplificador operacional proporciona la ganancia necesaria para amplificar las señales. El dispositivo activo controla la salida en respuesta a la entrada. En pocas palabras, actúa como una resistencia variable o una fuente controlada por corriente.
Red de polarización (resistencia)
Las resistencias de polarización fijan el punto de operación (punto Q) del dispositivo activo. Sin una polarización adecuada, el transistor podría caer en corte o saturación. Esto provoca distorsión o recorte de la señal.
Condensador de acoplamiento de entrada
Se coloca entre la fuente de entrada y el amplificador. Su función es bloquear cualquier componente de CC, permitiendo la entrada de señales de CA a la región activa. Además, garantiza que las tensiones de CC externas no afecten la unión base-emisor del transistor.
Condensador de derivación del emisor
Conectado en paralelo a la resistencia de emisor en un diseño de emisor común, aumenta la ganancia de CA del amplificador cortocircuitando la resistencia de emisor a altas frecuencias, manteniendo la estabilidad de CC.
Resistencia de carga
Convierte las variaciones de corriente de salida en un voltaje de salida medible. También define la impedancia de salida y ayuda a estabilizar la ganancia.
Fuente de Energía
Proporciona una tensión de CC constante. Una alimentación estable y sin ruido es crucial. Las fluctuaciones en la alimentación pueden introducir distorsiones indeseadas en la salida.
Cada uno de estos componentes debe seleccionarse cuidadosamente para que coincida con la aplicación prevista, ya sea para fines de audio, RF o instrumentación.
Tipos comunes de circuitos amplificadores
Se utilizan comúnmente diversas configuraciones de amplificador según la aplicación. Cada una presenta características de rendimiento específicas.
1. Amplificador de emisor común (basado en BJT)
El amplificador de emisor común se utiliza ampliamente para la amplificación de voltaje. Ofrece una impedancia de entrada moderada, una alta ganancia de voltaje y una inversión de fase de 180° entre la entrada y la salida.
Principio de operación:
• La señal de entrada se aplica entre la base y el emisor.
• La salida se toma entre el colector y el emisor.
• El terminal del emisor es común tanto para la entrada como para la salida.
Características:
• Ganancia de voltaje significativa
• Inversión de fase
• Resistencia de salida moderada
El diseño es simple pero muy efectivo para la amplificación de señales pequeñas.
2. Circuitos amplificadores operacionales (basados en amplificadores operacionales)
Los amplificadores operacionales son muy versátiles y permiten una variedad de modos de amplificación:
• Invirtiendo Amplificador: La señal de entrada se aplica al terminal inversor. La salida tiene inversión de fase.
• Amplificador no inversor: Entrada aplicada al terminal no inversor. Sin cambio de fase.
• Amplificador diferencial: Amplifica la diferencia entre dos entradas.
Características:
• Ganancia de bucle abierto extremadamente alta
• Impedancia de entrada alta
• Impedancia de salida baja
Los circuitos de amplificadores operacionales son comunes en instrumentación, preamplificadores de audio y filtros activos.
3. Circuitos amplificadores de potencia
Cuando la intensidad de la señal necesita impulsar una carga significativa (como un altavoz), se utilizan amplificadores de potencia.
arquitectura:
Un diagrama de circuito amplificador de potencia típico muestra estas etapas trabajando juntas para garantizar que la señal de entrada se potencie lo suficiente y se entregue con alta eficiencia a la carga.
• La etapa de preamplificador potencia las señales de entrada débiles.
• La etapa del controlador prepara señales para el manejo de potencia.
• La etapa de salida suministra grandes corrientes a la carga.
clases:
• Clase A: Alta linealidad, baja eficiencia
• Clase B: Mayor eficiencia, distorsión de cruce
• Clase AB: Compromiso equilibrado
• Clase D: Alta eficiencia mediante conmutación
Los circuitos amplificadores de potencia se centran en la potencia de salida, la gestión térmica y la optimización de la eficiencia.
Ejemplo de diagrama de circuito amplificador básico
Comprender un diagrama de circuito de transistor simple como un amplificador de emisor común de una sola etapa ayuda a ilustrar conceptos centrales.
Ejemplo: Un amplificador de emisor común de una sola etapa.
Aquí está el diagrama del amplificador:
Componentes utilizados:
• Transistor: BJT NPN (por ejemplo, BC547 o 2N3904)
• resistencias: Polarización (R1, R2), Carga (RC) y Emisor (RE)
• condensadores: Entrada (C1), derivación del emisor (CE) y salida (C2)
• Fuente: Voltaje de CC (comúnmente 9 V–12 V)
Principio de funcionamiento:
• La señal de entrada de CA pasa a través de C1, que bloquea cualquier CC de la fuente de señal.
• R1 y R2 forman un divisor de voltaje que polariza el transistor.
• RE proporciona estabilización contra el descontrol térmico.
• CE omite RE para señales de CA, mejorando la ganancia.
• RC actúa como carga para la corriente del colector.
• La señal de salida amplificada fluye a través de C2 a la siguiente etapa o carga.
Nota de diseño: La elección de valores para RC, RE y resistencias de polarización determina la ganancia, el ancho de banda y la estabilidad del amplificador de una sola etapa.
Consideraciones de diseño importantes
Diseñar un amplificador implica más que conectar componentes. Se deben considerar varios factores técnicos para garantizar un funcionamiento estable y predecible.
1. Estabilidad del sesgo
Las variaciones de temperatura pueden alterar las características del transistor. Una polarización adecuada garantiza que los cambios en los desplazamientos beta (β) o Vbe no desvíen al amplificador de su punto de funcionamiento.
2. Respuesta de frecuencia
Los amplificadores deben mantener una ganancia constante en todo el rango de frecuencias deseado. A bajas frecuencias, los condensadores de acoplamiento y derivación introducen una caída de tensión. A altas frecuencias, las capacitancias internas de los transistores limitan el rendimiento.
3. Coincidencia de impedancia
La adaptación de impedancia de entrada y salida maximiza la transferencia de señal. Por ejemplo, un amplificador de audio debe adaptar su impedancia de salida a la entrada del altavoz para una entrega de potencia óptima.
4. Producto ganancia-ancho de banda
Una mayor ganancia suele reducir el ancho de banda. El diseñador debe equilibrar estos dos parámetros según las necesidades de la aplicación.
5. Gestión térmica
Los amplificadores de potencia generan mucho calor. Para mantener la fiabilidad, pueden ser necesarios disipadores, almohadillas térmicas o incluso refrigeración por aire forzado.
6. Reducción de ruido
Las fuentes de ruido incluyen la ondulación de la fuente de alimentación, la interferencia electromagnética y el ruido de disparo del transistor. Es fundamental contar con carcasas blindadas, condensadores de derivación y una conexión a tierra cuidadosa.
7. Estabilidad frente a oscilaciones
Las rutas de retroalimentación positiva, no deseadas por la disposición de la placa de circuito impreso o por capacitancia parásita, pueden causar oscilaciones. Técnicas como la compensación de Miller se utilizan a menudo en diseños de amplificadores de alta ganancia para evitar oscilaciones.
Cada factor debe abordarse durante las etapas de simulación, creación de prototipos y diseño final.
Circuito práctico del amplificador de transistores
Ahora, analicemos el aspecto práctico del uso de un transistor como amplificador. Cada componente desempeña un papel crucial, y su correcta configuración puede marcar la diferencia entre un circuito fiable y uno ruidoso e inestable.
1. Condensador de entrada
Función: Piense en esto como un guardia de seguridad en la entrada. Permite el paso de la señal de CA, pero impide el paso de componentes de CC no deseados, protegiendo así la delicada polarización del amplificador.
Detalles: Sin este condensador, el nivel de CC de la fuente podría perturbar el punto de funcionamiento del transistor. El valor de la capacitancia debe seleccionarse para mantener una reactancia baja a la frecuencia más baja de interés.
Fórmula:
Lugar:
• Xc = Reactancia capacitiva
• f = Frecuencia
• C = Capacitancia
Para aplicaciones de audio (20 Hz–20 kHz), lo típico es un capacitor en el rango de 1 µF a 10 µF.
2. Circuito de polarización
Finalidad: Establece el voltaje y corriente base correctos.
Componentes: Una red divisora de tensión (R1 y R2) alimenta la base. La resistencia de emisor (RE) proporciona retroalimentación negativa, lo que mejora la estabilidad de la polarización.
Importante: Un sesgo estable garantiza que el amplificador permanezca en la región activa lineal, evitando el corte y la saturación durante el funcionamiento.
3. Condensadores de derivación del emisor
Función: Evita la señal de CA alrededor de la resistencia del emisor para maximizar la ganancia.
Sin CE: La señal de CA desarrolla un voltaje a través de RE, lo que reduce la ganancia general.
Con CE, AC ve un camino de baja impedancia a través del capacitor, eliminando efectivamente RE del camino de la señal de AC.
Dimensionamiento del condensador: Suficientemente grande para garantizar una baja reactancia a la frecuencia operativa más baja.
4. Condensador de acoplamiento
Papel: Similar al condensador de entrada pero ubicado en la salida.
Finalidad: Bloquea el voltaje de CC para que no llegue a la siguiente etapa o a la carga.
Efecto: Sólo se transmite la parte CA de la señal amplificada.
Valor: Generalmente depende de la impedancia de entrada de la siguiente etapa. Las frecuencias más bajas requieren mayor capacitancia.
5. Resistencia de carga
Principio de funcionamiento: Se coloca en el circuito colector del transistor. Convierte las variaciones de la corriente del colector en variaciones de la tensión de salida.
Selección:
• Un RC más alto proporciona una mayor ganancia de voltaje.
• Debe equilibrar la caída de voltaje en RC con los requisitos de Vce.
Fórmula:
La ganancia de voltaje (Av) (ignorando RE) es aproximadamente igual a:
Donde re es la resistencia intrínseca del emisor.
Importante: Seleccionar un RC demasiado grande puede provocar que el transistor abandone la región activa, lo que genera distorsión.
Conclusión
Un diagrama de circuito amplificador ofrece más que una simple representación gráfica. Representa las interacciones críticas entre los componentes activos y pasivos para lograr una amplificación de señal estable. Comprender la función de cada componente, desde las resistencias de polarización hasta los condensadores de acoplamiento, es fundamental.
Para lograr un rendimiento óptimo, un diseñador no solo debe seguir las directrices esquemáticas, sino también respetar las imperfecciones del mundo real: variaciones de temperatura, parásitos y ruido. En entornos profesionales, las herramientas de simulación (como SPICE) y la creación de prototipos son pasos cruciales antes de la implementación final.
Ya sea para la amplificación de pequeñas señales o para el suministro de potencia, dominar los diagramas de circuitos amplificadores sigue siendo una habilidad esencial en la ingeniería electrónica.
