Amplificadores de varias etapas y amplificador ... - Student Info.net

2.1.- Amplificadores multietapa.
Muchas veces la amplificación que queremos realizar sobre una señal, nos obliga a utilizar más de
una etapa de amplificación.
La estructura propuesta es la mostrada es la figura nº 1.1
Un amplificador ideal es aquel que guarda sus parámetros característicos constantes
independientemente de los sistemas que le precedan o los sistemas que le sigan (carguen). En el
esquema de la figura nº 1.2 se muestran los distintos tipos de amplificadores ideales que podemos
tener.
Por ejemplo, un generador ideal de tensión/tnsión ha de tener:
1. Impedancia de entrada infinita
2. Impedancia de salida nula
3. Ganancia de tensión A V
Amplificadores de varias etapas y amplificador
diferencial
figura nº 1.1
figura nº 1.2
Un amplificador real, tiene una impedancia de entrada finita y una impedancia de salida no nula. Su
esquema viene representado en la figura 1.3
figura nº 1.3
Ganancia de la asociación en cascada de dos amplificadores ideales.
Tengamos la asociación en cascada de amplificadores ideales de la figura.nº 1.4

El conjunto es un amplificador de transconductancia (Tensión/Corriente)de ganancia G T =A V A Y
Cuando los amplificadores son reales la asociación en cascada queda como se indica en la figura. nº
1.5
La ganancia pasa a ser
Bastará con que R L

Análisis en contínua
Supongamos que las bases de los transistores T1 y T2 de la fugura nº 2.2 tienen una tensión contínua
VB1 y VB2 como se indican.
La ecuación de base de ambos transistores es
V B1 - V BE1 +V BE2 - V B2 =0 ; es decir V id = V B1 - V B2 = V BE1 -V BE2
Las corrientes de emisor de los transistores son
V
BE1/VT
IE1 =ISSe . Como IE1 = IC1 por estar en activa tendremos VBE1 =VTLn(IC1 /ISS )
V
BE2/VT.
IE2 =ISSe Como IE2 = IC2 por estar en activa tendremos VBE2 =VTLn(IC2 /ISS )
Restando ambas ecuaciones tenemos que
V
id /VT
IC1 /IC2 =VT e .
Que junto con la ecuación I o = I E1 + I E2 = I C1 +I C2 nos da
Si V B1 =V B2 , entonces ambas corrientes son iguales y por lo tanto
I C1 =I C2 =I o / 2
Análisis en pequeña señal
I o
figura nº 2.2
IC2 = ------------------ , y además IC1 = ------------------
V -V
id /VT id /VT
1+e
1+e
I o

Modo diferencial
Supongamos que, para el análisis de continua V B1 = V B2 = 0.
El circuito equivalente en pequeña señal será el mostrado en la figura nº 2.3
Si las tensiones de base son iguales y desfasadas 180º (Vi1 =-Vi2 ), el aumento de la corriente de base
del transistor T1 , será igual a la disminución de la corriente de base del transistor T2 , y por lo tanto el
aumento en el generador de corriente del transistor T1 será igual a la disminución en el generador de
corriente del transistor T2 . La corriente que pasa por RE sigue siendo la misma (cero en alterna), por
lo que no varía su tensión. Es equivalente a que la resistencia RE estubiera cortocircuitada en alterna,
para el modo diferencial.
El circuito equivalente en modo diferencial es el mostrado en la figura nº 2.4
Que simplificando para una sóla entrada, tendremos el esquema de la figura nº 2.5
Las ecuaciones en las mallas de entrada tenemos
figura nº 2.3
figura nº 2.4
figura nº 2.5

v π = v i1
V o = (R C // r o )·g m v π = (R C // r o )·g m v i1
Resistencia de entrada en modo diferencial
La resistencia de entrada es la mostrada en la figura 2.6
Rin= 2r π
Para aumentar la resistencia de entrada hay que aumentar el valor de r
π
, para lo cual la corriente de
base ha de ser lo más baja posible. Se puede utilizar la configuración Darlington de la figura nº 2.7
Resistencia de salida en modo diferencial
figura nº 2.6
figura nº 2.7
la resistencia de salida es la mostrada en en la figura nº 2.8
figura nº 2.8
R out = 2 R C //r o
normalmente r o >> R C por lo que se puede decir que la resistencia de salida es R out = 2 R C

Ganancia en modo diferencial
Si analizamos la figura nº 2.9
Según las ecuaciones anteriores
V o / Vid = (R C // r o )·g m
si r o >> R C tendremos
A DM = V o / Vid = -R C ·g m
Para obtener una alta ganancia se requiere valores de RC muy grandes. Normalmente se utilizan
como resistencias de colector cargas activas.
Modo común.
figura nº 2.9
Las tensiones en uniones base emisor son las mismas como se indica en la figura nº 2.10
figura nº 2.10
Por simetría el circuito equivalente para el modo común es el mostrado en la figura nº 2.11

Resistencia de entrada en modo común
La resistencia de entrada será la mitad de la calculada en el circuito de la figura nº 12
Las ecuaciones de Kirchoff obtenemos
V i1 = (r π +2R E )i b + 2R E i C
g m r o v π =2R E i b + (r o +2R E +R C )i C
v π =r π i b
Normalmente 2R E >(2R E +R C )
Por lo que la resistencia de entrada queda
Resistencia de salida
La resistencia de salida será prácticamente
figura nº 2.11
figura nº 2.12
i C = i b
g m r o r π - 2R E
-------------r
o +2R E +R C
r in = r π + 2R E (1+g m r π )
R sal = 2R C

Ganancia en modo común
La tensión diferencial de salida es cero.
La tensión en una resistencia de colector será V o1 = - R C · i C1 = - R C g m r π · i b1
Rechazo en modo común
Se define como la relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo común.
Salida para señales de entrada arbitrarias
Dadas dos señales de entrada cualesquiera, V i1 y V i2 , podemos expresarlos como
V i1 = V C + V D /2
V i2 = V C - V D /2
Por lo tanto la tensión de salida V o1 será
V o1 = A DM ·V D /2 + A CM ·V C
o bien
Cuanto mayor sea el rechazo en modo común (CMRR) más se comportará como un amplificador
diferencial.
Realizar :
A CM =
V o1
probemas propuestos
problemas (1-Noviembre-2001
- R C g m r π
R C
------ ------------------- = - -----
=
Vi1 r
π
+ 2RE (1+gmr π
) 2RE CMRR =
A DM
------
A CM
V o1 = A DM· (V D /2 +
=2g m R E
V C
------
CMRR
)

Solución problema nº 1: Amplificadores de varias etapas.
Solución problema nº 1
Problemas de amplificadores de varias etapas
1.- Etapa amplificadora con un transistor bipolar en emisor común
Se tiene el circuito de la figura nº 1 donde se quiere que V CQ =7'5 V. y que I CQ =1mA.Se quiere
que la relación R C / R E sea de 10.
figura nº 1
El transistor tiene las siguientes características: V BE =0'6 ; V CEsat =0'2 ; β=300 VA= 100 V.
Se quiere saber
Solución:
1. La resistencia de entrada, la resistencia de salida y la ganancia de transconductancia que
tiene el amplificador.
2. El número de etapas necesarfias para conseguir una ganancia superior a 1000.
Cálculo de los componentes para el punto de trabajo requerido.
Como la corriente de colector ha de ser I C = 1 mA y la tensión de salida ha de ser V o = 7'5 V., el
valor de la resistencia de colector es
RC =
VCC - VoQ ---------- = 7'5 KΩ.
I CQ
file:///C|/Documents%20and%20Settings/Raul%20Saez/...nº%201%20Amplificadores%20de%20varias%20etapas.htm (1 de 5)04/10/2004 22:32:44

Solución problema nº 1: Amplificadores de varias etapas.
Como la relación entre la resistencia de colector y la de emisor ha de ser 10, tendremos que
R C
RE = ---- = 0'75 KΩ.
10
Para que la corriente de base sea despreciable frente a la corriente que baja por las resistencias de
base, se ha de cumplir que (1 + β )R E >>(R B1 //R B2 ). Es decir, que (R B1 //R B2 )

Solución problema nº 1: Amplificadores de varias etapas.
figura nº 1.2
Ya tenemos diseñado un posible circuito que cumple con las condiciones iniciales.
Cálculo del circuito equivalente del transistor
El circuito equivalente es el mostrado en la figura nº 1.3
Figura nº 1.3
Los valores de los componentes del circuito vienen dados por
de donde
r π = 300·0'0258/1 = 7'74 KΩ.
g m = 1/0'0258=38'78 mA/V.
r o =100/1=100KΩ.
r π = β V T /I C ; g m = I C / V T ; r o = V A / I C
El circuito equivalente del amplificador es el de la figura nº 1.4
file:///C|/Documents%20and%20Settings/Raul%20Saez/...nº%201%20Amplificadores%20de%20varias%20etapas.htm (3 de 5)04/10/2004 22:32:44

Solución problema nº 1: Amplificadores de varias etapas.
Resistencia de entrada.
La resistencia de entrada es
R i = 3'3 + 5'77 = 9 kΩ.
Resistencia de salida
La resistencia de salida es
R o = (100//7'5) = 7 kΩ.
Ganancia de transconductancia A Y = (i c /v i )
Las ecuaciones de Kirchoff del circuito son
v π =v i (5'77/9)=0'641 v i
ic=38'8·0'641·(100/107'5)v i =23'14v i
A Y =23'14
Figura nº 1.4
El amplificador se puede poner como el amplificador de la figura nº 1.5
El amplificador de varias etapas será
Figura nº 1.5
file:///C|/Documents%20and%20Settings/Raul%20Saez/...nº%201%20Amplificadores%20de%20varias%20etapas.htm (4 de 5)04/10/2004 22:32:44

Solución problema nº 1: Amplificadores de varias etapas.
La ganancia de las dos etapas será:
i c =23'14V π 2
V π 2 =23'14 (7//5'5)V π 1
i c =1649V π 1
A Y =1649
Figura nº 1.6
Con dos etapas será suficiente para tener una ganancia superior a 1000.
file:///C|/Documents%20and%20Settings/Raul%20Saez/...nº%201%20Amplificadores%20de%20varias%20etapas.htm (5 de 5)04/10/2004 22:32:44

Problemas de amplificadores diferenciales
1.- En el circuito de la figura calcule las relaciones
1. ( V 01/ Vi )
2. ( V 02/ V01 )
3. ( V 02/ Vi )
Problemas de amplificadores diferenciales
Usando los siguentes datos : r π =1 KΩ ; g m =0'01 Ω -1 ; r 0 =100 KΩ
2.- En el circuito de la figura calcule:
file:///C|/Documents%20and%20Settings/Raul%20Saez/Mi...blemas%20de%20amplificadores%20diferenciales(t2).htm (1 de 3)04/10/2004 22:32:23

Problemas de amplificadores diferenciales
1. Los valores de las corrientes IC3, IC4 e IC5. Indique cual es la función de los
transistores Q3 y Q4 en dicho circuito.
2. Obtenga la ganancia en pequeña señal en modo diferencial y en modo común, así como
el CMRR correspondiente al circuito de la figura
Usando los siguentes datos para todos los transistores : V T = 25 mV. ; β o =100. ; r 0 =100 KΩ
3.- En el circuito de la figura
1. La ganancia en modo diferencial, en modo común y el CMRR
2. Obtenga la resistencia de entrada y la resistencia de salida en modo diferencial
file:///C|/Documents%20and%20Settings/Raul%20Saez/Mi...blemas%20de%20amplificadores%20diferenciales(t2).htm (2 de 3)04/10/2004 22:32:23

Problemas de amplificadores diferenciales
Usando los siguentes datos : R N =28 KΩ ; R P =56 KΩ ; V CC = 15 V. ;
Para Q 2 , Q 3 , Q 4 y Q 5 , r 0 =100 KΩ
Para Q 1 , Q 6 y Q 7 , r 0 = ∞.
file:///C|/Documents%20and%20Settings/Raul%20Saez/Mi...blemas%20de%20amplificadores%20diferenciales(t2).htm (3 de 3)04/10/2004 22:32:23