Tema 3:Amplificadores de pequeña señal
Índice
1 Conceptos de amplificación
2 Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
3 Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
4 Amplificadores multietapa
5 Amplificador diferencial
Conceptos de amplificación
1 Conceptos de amplificaciónParámetros que caracterizan un amplificadorTipos de amplificadoresAmplificadores acopladosAmplificador diferencialConfiguraciones básicas con transistores
2 Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
3 Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
4 Amplificadores multietapa
5 Amplificador diferencial
Conceptos de amplificación
Parámetros que caracterizan un amplificador
Definiciones
Un amplificador es un sistema que aumenta la potencia de una señal.
La señal proviene de una fuente y se aplica a una carga.Fu
ente
Amplificador
Car
ga+
−vi
+
−vo
ii io
Conceptos de amplificación
Parámetros que caracterizan un amplificador
FuentePodemos representar la fuente como de tensión o de corriente medianteequivalentes Thevenin o Norton.
vs
rs
−
+
vi
ii
is rs
−
+
vi
ii
CargaRepresentamos la carga como una resistencia.
−
+
vo
io
RL
Conceptos de amplificación
Parámetros que caracterizan un amplificador
Impedancia de entradaEs la relación entre la tensión y la corriente a la entrada del amplificador.
Ri
−
+
vi
ii
Ri =vi
ii
Conceptos de amplificación
Parámetros que caracterizan un amplificador
Ganancia e impedancia de salida
La salida del amplificador se puede representar mediante equivalentesThevenin o Norton.
v′o
Ro
−
+
vo
io
i′o Ro
−
+
vo
io
La tensión y corriente de salida son proporcionales a la tensión y corrientede entrada.
Ganancia de tensión a circuito abierto: AV0 =v′o
vi
Ganancia de corriente en cortocircuito: AI0 =i′o
ii
Ganancia de transconductancia en cortocircuito: Gm0 =i′o
vi
Ganancia de transimpedancia a circuito abierto: Zm0 =v′o
ii
La tensión y corriente en la salida se ven afectadas por la impedancia desalida, Ro.
Conceptos de amplificación
Parámetros que caracterizan un amplificador
Saturación
El amplificador proporciona señales amplificadas sólo para un cierto rangode amplitudes de entrada
Más allá de este rango la amplitud de la señal de salida permanececonstante: el amplificador se satura.
xi
xo
Conceptos de amplificación
Parámetros que caracterizan un amplificador
Linealidad
En la práctica la señal de salida no es proporcional a la de entrada.
Se asume aproximadamente lineal para un cierto rango de valores deentrada.
Fuera de este rango la señal se distorsiona.
xi
xo
Amp. idealAmp. real
Conceptos de amplificación
Tipos de amplificadores
Amplificador de tensión
vs
rs
−
+
vi
iiFuente
Ri AV0vi
Ro
−
+
vo
ioAmplificador
RL
Carga
Ganancia de tensión
AV =vo
vi=
RL
Ro +RLAV0
A′V=vo
vs=
RL
Ro +RL
Ri
Ri + rsAV0
Amplificador de tensión ideal
Si Ri � rs y Ro � RL ⇒ A′V≈ AV ≈ AV0
Conceptos de amplificación
Tipos de amplificadores
Amplificador de corriente
is rs
−
+
vi
iiFuente
Ri AI0ii Ro
−
+
vo
ioAmplificador
RL
Carga
Ganancia de corriente
AI =io
ii=
Ro
Ro +RLAI0
A′I=io
is=
Ro
Ro +RL
rs
rs +RiAI0
Amplificador de corriente ideal
Si Ri � rs y Ro � RL ⇒ A′I≈ AI ≈ AI0
Conceptos de amplificación
Tipos de amplificadores
Amplificador de transconductancia
vs
rs
−
+
vi
iiFuente
Ri Gm0vi Ro
−
+
vo
ioAmplificador
RL
Carga
Ganancia de transconductancia
Gm =io
vi=
Ro
Ro +RLGm0
G′m
=io
vs=
Ro
Ro +RL
Ri
rs +RiGm0
Amplificador de transconductancia ideal
Si Ri � rs y Ro � RL ⇒ G′m≈ Gm ≈ Gm0
Conceptos de amplificación
Tipos de amplificadores
Amplificador de transimpedancia
is rs
−
+
vi
iiFuente
Ri Zm0ii
Ro
−
+
vo
ioAmplificador
RL
Carga
Ganancia de transimpedancia
Zm =vo
ii=
RL
Ro +RLZm0
Z′m
=vo
is=
RL
Ro +RL
rs
rs +RiZm0
Amplificador de corriente ideal
Si Ri � rs y Ro � RL ⇒ Z′m≈ Zm ≈ Zm0
Conceptos de amplificación
Amplificadores acoplados
En ocasiones es necesario acoplar varios amplificadores en cascada:
Fuen
teAmplificador 1 Amplificador 2
Car
ga+
−vi,vi1
+
−vo1,vi2
+
−vo2,vo
ii,ii1 io1,ii2 io2,io
La carga del amplificador 1 es la resistencia de entrada del amplificador 2.
La fuente del amplificador 2 es la salida del amplificador 1.
Ganancia de tensión
AV =vo
vi= AV1AV2
Ganancia de corriente
AI =io
ii= AI1AI2
Impedancia de entrada
Ri =vi
ii= Ri1
Impedancia de salida
Ro = Ro2
Conceptos de amplificación
Amplificadores acoplados
Acoplamiento directo
Amplificador 1 Amplificador 2
Se utiliza principalmente en circuitos integrados.
El acoplamiento de diferentes etapas puede perturbar la polarización de lostransistores.
Conceptos de amplificación
Amplificadores acoplados
Acoplamiento capacitivo
Amplificador 1 Amplificador 2
Las diferentes etapas se encuentran separadas por condensadores deacoplamiento.
Las condiciones de polarización se mantienen.
Los condensadores modifican la respuesta en frecuencia.
Se utiliza en circuitos con componentes discretos.
Conceptos de amplificación
Amplificador diferencial
Un amplificador diferencial amplifica la diferencia de dos señales de entrada.
En el caso ideal, la componente común a las dos señales de entrada no seamplifica.
Amplificadordiferencial
vi1
vi2
+
−
vo
vo = A1vi1 − A2vi2
Conceptos de amplificación
Amplificador diferencial
Modo común y modo diferencialRedefinimos las magnitudes de entrada:
vid = vi1 − vi2
vic =vi1 + vi2
2
⇒vi1 = vic + vid/2
vi2 = vic − vid/2
�
vid: señal de entrada diferencialvic: señal de entrada común
Amplificadordiferencial
+vid/2
−vid/2
vic +
−
vo
vo = Advid +Acvic
Ad: ganancia en modo diferencialAc: ganancia en modo comúnIdealmente Ad � AcCMRR = Ad
Acrelación de rechazo del modo común
Conceptos de amplificación
Configuraciones básicas con transistores
Configuraciones básicas con BJTsEmisor común Colector común Base común
+
−
+
−vi
vo
ii
io
+
−
+
−vi
vo
ii
io
+
−
+
−
vi vo
ii io
Configuraciones básicas con FETsFuente común Drenador común Puerta común
+
−
+
−vi
vo
ii
io
+
−
+
−vi
vo
ii
io
+
−
+
−
vi vo
ii io
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
1 Conceptos de amplificación
2 Amplificadores monoetapa con transistores bipolaresEmisor comúnColector comúnBase común
3 Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
4 Amplificadores multietapa
5 Amplificador diferencial
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Procedimiento general de análisisAnálisis del circuito de polarización
1 Eliminar las fuentes de señal. Mantener las de continua.
2 Sustituir los condensadores de acoplamiento y desacoplo por circuitosabiertos.
3 Sustituir los transistores por su modelo de continua.
4 Hallar el punto de polarización de cada transistor.
Parámetros de pequeña señal
5 De los datos de polarización del transistor, obtener los parámetros delmodelo de pequeña señal (rπ, gm. . . )
Análisis de pequeña señal
6 Eliminar las fuentes de continua, mantener las de señal.
7 Sustituir los condensador de acoplamiento y desacoplo por cortocircuitos.
8 Sustituir los transistores por su modelo de pequeña señal.
9 Hallar los parámetros que caracterizan el amplificador (Av, Ri. . . )
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Emisor común
R2
R1
RE2
RE1
CE
RC
VCC
Q1
C2 vo
RL
C1
virs
vs
C1 y C2: condensadores de acoplamiento.
CE: condensador de desacoplo de RE2.
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Emisor común
Circuito de polarización
R2
R1
RE
RC
Q1
VCC
Recta de carga estática
IC =VCC − VCERC +RE
Punto de trabajo
IC =VBB − VBERB/β+RE
VCE = VCC − IC(RC +RE)
conRE = RE1 +RE2
VBB =R2
R1 +R2VCC
RB = R1‖R2
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Emisor común
Equivalente de pequeña señal
vs
rs
RB
rπ βib
RE1
RC RL
ii
ib
io
+
−
vi
+
−
vo
AV = −β(RC‖RL)
rπ + (β+ 1)RE1
Ri = RB‖[rπ + (β+ 1)RE1]
AI = −−β RCRB
RC+RL
rπ + (β+ 1)RE1 +RB
Ro = RC
Caso particular RE1 = 0Av = −gm(RC‖RL) Ri = RB‖rπ
Caso particular sin CE
Av ≈ −RC‖RLRE
Ri ≈ RB
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Emisor común
Recta de carga dinámica
Recta de carga en pequeña señal:
ic = −vce
RC‖RL +RE1
Las componentes de señal seencuentran superpuestas a las decontinua:
iC = IQC + ic
vCE = VQCE + vce
)
Recta de carga dinámica:
iC = IQC +VQCE − vCE
RC‖RL +RE1
IC
VCE
Q
VQCE
IQC
vmaxCE
imaxC
Recta decarga estática
Recta decarga
dinámica
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Emisor común
Punto de máxima excursión simétrica
La máxima amplitud de oscilación se obtiene cuando el punto de trabajoestá centrado en la recta de carga dinámica:
VmesCE
= vmaxCE
/2
ImesC
= imaxC
/2
«
Punto de máxima excursión simétrica (ImesC
,VmesCE
):
ImesC
=VCC
RC +RE +RC‖RL +RE1
VmesCE
=RC‖RL +RE1
RC +RE +RC‖RL +RE1VCC
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Emisor común
Influencia de la resistencia de emisor en el circuito
El condensador CE puede desacoplar parcial (RE1 6= 0) o totalmente (RE1 = 0)la resistencia de emisor.
El condensador CE no modifica las condiciones de polarización.
Un aumento en la resistencia de emisor RE1 disminuye la ganancia yaumenta la impedancia de entrada.
La ganancia es más independiente de β con la resistencia de emisor sindesacoplar.
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Colector común
R2
R1
RE
Q1
VCC
C2 vo
RL
C1
virs
vs
No es necesaria RC para la polarización del transistor ni para el buenfuncionamiento del amplificador.
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Colector común
vs
rsRB
rπβib RE RL
ii ib io
+
−
vi
+
−
vo
AV =(β+ 1)(RE‖RL)
rπ + (β+ 1)(RE‖RL)< 1
AI =RB
RL
�
(β+ 1)(RE‖RL)
RB + rπ + (β+ 1)(RE‖RL)
�
Ri = RB‖[rπ + (β+ 1)(RE‖RL)
Ro = Re
�
rπ + rs‖RBβ+ 1
�
Punto de máxima excursiónsimétrica
ImesC
=
�
RE +RL
RE + 2RL
�
VCC
RE
VmesCE
=RL
RE + 2RLVCC
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Base común
R2
R1
RC
RE
Q1
vs
rs
VCC
C1 vi
C3
RL
C2 vo
C3 desacopla R1 y R2 en pequeña señal, del mismo modo que lo hace CEcon RE en el amplificador en emisor común.
Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
Base común
vs
rsRE rπ
βib
RC RL
ii
ib
io
+
−
vi
+
−
vo
AV = gm(RC‖RL)
AI =
�
RC
RC +RL
�
�
RE
RE + g−1m
�
< 1
Ri = RE‖g−1m
Ro = RC
Punto de máxima excursiónsimétrica:
ImesC
=VCC
RC‖RL +RC +RE
VmesCE
=RC‖RL
RC‖RL +RC +REVCC
Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
1 Conceptos de amplificación
2 Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
3 Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campoFuente comúnDrenador comúnPuerta común
4 Amplificadores multietapa
5 Amplificador diferencial
Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
Fuente común
R2
R1
RS2
RS1
CS
RD
VDD
M1
C2 vo
RL
C1
virs
vs
Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
Fuente común
Equivalente de pequeña señal
vs
rs
RG
gmvgs
RS1
RD RL
ii io
+
−
vi
+
−
vo
+
−
vgs
AV = −gm(RD‖RL)
1+ gmRS1
Ri = RG
AI = −gm
RDRG
RD+RL
1+ gmRS1
Ro = RD
Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
Drenador común
R2
R1
RS
M1
VDD
C2 vo
RL
C1
virs
vs
Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
Drenador común
vs
rsRG gmvgs RS RL
ii io
+
−
vi
+
−
vo
+ −vgs
AV =gm(RS‖RL)
1+ gm(RS‖RL)< 1
Ri = RG
AI =gm
RSRG
RS+RL
1+ gm(RS‖RL)
Ro = RS‖g−m1
Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
Puerta común
R2
R1
RD
RS
M1
vs
rs
VDD
C1 vi
C3
RL
C2 vo
Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
Puerta común
vs
rsRS
gmvgs
RD RL
ii io
+
−
vi
+
−
vo
−
+
vgs
AV = gm(RD‖RL)
Ri = RS‖g−1m
AI =gm
RD
RD+RL
1/RS + gm
Ro = RD
Amplificadores multietapa
1 Conceptos de amplificación
2 Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
3 Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
4 Amplificadores multietapaAmplificador cascodoAmplificador colector común-base comúnAmplificador colector común-emisor común
5 Amplificador diferencial
Amplificadores multietapa
Cascodo(Emisor común -base común)
+
−
+
−vi
vo
ii
io
Colector común -base común +
−
+
−vi
vo
ii
io
Colector común -emisor común +
−
+
−vi
vo
ii
io
Amplificadores multietapa
Amplificador cascodo
R1
R2
R3
RE
RC
Q1
Q2
CE
C1rs
vs
C2
C3
RL
VCC
vi
vo
Amplificadores multietapa
Amplificador cascodo
Equivalente de pequeña señal
vs
rsR1‖R2 rπ1 β1ib1 rπ2
β2ib2
RC RL
ii
ib1 ib2
io
+
−
vi
+
−
vo
AV ≈ −gm(RC‖RL)
Ri = R1‖R2‖rπ1
AI = −βRC
RC +RL
R1‖R2
R1‖R2 + rπ1≈ −β
Ro = RC
Amplificadores multietapa
Amplificador colector común-base común
Q1 Q2
RC
rs
RL
C1
I0
vs
VDD VDD
−VDD
vi
vo
Amplificadores multietapa
Amplificador colector común-base común
vs
rs rπ1
β1ib1 RoI rπ2
β2ib2
RC RL
ii ib1
ib2
io
+
−
vi
+
−
vo
Av ≈gm
2(RC‖RL)
Ri ≈ 2rπ
Ai ≈ β
Ro = RC
Amplificadores multietapa
Amplificador colector común-emisor común
vs
rs viC1
R1
R2
Q1
Q2
RE1RE2 CE
RC2C2 vo
RL
VCC
Amplificadores multietapa
Amplificador colector común-emisor común
vs
rsRB
rπ1
β1ib1 RE1 rπ2 β2ib2 RC RL
ii ib1
ib2
io
+
−
vi
+
−
vo
Av ≈ −gm(RC‖RL)
Ri ≈ RB‖[(β+ 2)rπ
Ai ≈ −β2
Ro = RC
Amplificador diferencial
1 Conceptos de amplificación
2 Amplificadores monoetapa con transistores bipolares
3 Amplificadores monoetapa con transistores de efecto campo
4 Amplificadores multietapa
5 Amplificador diferencialPar diferencial básico acoplado por emisorPar diferencial básico acoplado por fuenteAmplificador diferencial con salidas asimétricasAmplificador diferencial con degeneración de emisor
Amplificador diferencial
Par diferencial básico acoplado por emisor
Funcionamiento con señales grandes
Q1 Q2
RCRC
I
VCC VCC
−VCC
vi1 vi2
vo2vo1
vod = vo1 − vo2 = IRC tanh�
−vid
2VT
�
−VT
VT
−5VT
5VT
vid
vodIRC
−IRC
Amplificador diferencial
Par diferencial básico acoplado por emisor
Funcionamiento en pequeña señal y modo diferencial
vid2
rπ βib1 βib2 rπ − vid2
RC RC
RoI
ib1 ib2
+ −vod
El potencial en el nodo de emisor es0 (tierra virtual).
El amplificador diferencial se reducea dos emisores comunes.
Ad = −gmRCRid = 2rπ
Rod = RC
Amplificador diferencial
Par diferencial básico acoplado por emisor
Funcionamiento en pequeña señal y modo común
vic rπ βib1 βib2 rπ vic
RC RC
RoI
ib1 ib2
vo1 vo2
No existe la tierra virtual en elemisor en modo común.
Ac = −gmRC
1+ 2gmRoIRic ≈ rπ/2+ (β+ 1)RoI
Roc = RCCMRR = 1+ 2gmRoI
Amplificador diferencial
Par diferencial básico acoplado por fuente
Funcionamiento con señales grandes
M1 M2
RDRD
I
VDD VDD
−VDD
vi1 vi2
vo2vo1
vod = −2�
I
VGS − VT
�
vid
2
√
√
√
1−�
vid/2
VGS − VT
�2
−(VGS − VT)
VGS − VT
vid
vodIRD
−IRD
Amplificador diferencial
Par diferencial básico acoplado por fuente
Funcionamiento en pequeña señal y modo diferencial
vid2
gmvgs1 gmvgs2 − vid2
RD RD
RoI
+
−
vgs1
+
−
vgs2
+ −vod
El potencial en el nodo de fuente es0 (tierra virtual).
El amplificador diferencial se reducea dos fuentes comunes.
Impedancia de entrada mejoradacon respecto al par diferencial conBJTs.
Ad = −gmRDRid =∞
Rod = RD
Amplificador diferencial
Par diferencial básico acoplado por fuente
Funcionamiento en pequeña señal y modo común
vic gmvgs1 gmvgs2 vic
RD RD
RoI
+
−
vgs1
+
−
vgs2
vo1 vo2
No existe la tierra virtual en lafuente en modo común.
Ac = −gmRD
1+ 2gmRoIRic =∞
Rod = RDCMRR = 1+ 2gmRoI
Amplificador diferencial
Amplificador diferencial con salidas asimétricas
M1 M2
RD
I
VDD VDD
−VDD
vi1 vi2
vo2En modo diferencial:
Ad = gmRD/2
En modo común:
Ac = −gmRD
1+ 2gmRoI
Se suprime la resistencia de drenador del lado izquiero porque no esnecesaria para el buen funcionamiento del circuito y ocupa espacio en elcircuito integrado.
La salida puede ser amplificada por un amplificador de una sola entrada.
Amplificador diferencial
Amplificador diferencial con degeneración de emisor
Q1 Q2
RCRC
RERE
I
VCC VCC
−VCC
vi1 vi2
vo2vo1
En modo diferencial:
Ad = −βRC
rπ + (β+ 1)RE
Rid = 2rπ + 2(β+ 1)RE
En modo común:
Ac = −βRC
rπ + (β+ 1)(RE + 2RoI)
Ric = (rπ + (β+ 1)RE)/2+ (β+ 1)RoI
La impedancia de entrada aumenta a costa de disminuir la ganancia detensión diferencial.