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Amplificadores Amplificadores Presentation Transcript

  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología Electrónica ELECTRÓNICA Y AUTOMATISMOS 2º Curso de Instalaciones Electromecánicas Mineras Tema 2: Electrónica Analógica Conceptos generales de amplificación Profesor: Javier Ribas Bueno Nota: las animaciones contenidas en esta presentación requieren Powerpoint de Office XP o posterior Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología Electrónica Electrónica analógica: Conceptos generales de amplificación • Introducción • Equivalente de Thevenin de un amplificador  Definición de impedancia de entrada y salida • Respuesta en frecuencia de un amplificador • Amplificadores realimentados  Realimentación positiva y negativa  El amplificador diferencial ideal realimentado Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaIntroducción Objetivo: Manejar y extraer información presente en una magnitud eléctrica Amplificar Filtrar Señal con información Circuito Aislar Sensor, Antena, Analógico Normalizar V Conversiones (v/v, V/i, i/v, v/f, f/v,....) Captura de pico ..... t ELEMENTO CLAVE EJEMPLO: EN ELECTRÓNICA VE ANALÓGICA: VS AMPLIFICADOR Tratamiento ELECTRÓNICO Analógico Señal AM Altavoz (Débil, antena) (Señal Fuerte) Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaIntroducción La tensión (VE) o la corriente (IE) de entrada a un amplificador puede tener una forma cualquiera. V V V REPRESENTACIÓN t EN EL TIEMPO t t Continua Senoidal Arbitraria El teorema de Fourier indica: "Cualquier señal eléctrica podemos descomponerla en nivel de continua mas una suma de señales senoidales. Si podemos determinar como se comporta un amplificador ante continua y senoidales de cualquier frecuencia, podemos determinar como se comporta ante cualquier señal. Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaIntroducción V V V REPRESENTACIÓN t EN EL TIEMPO t t Continua Senoidal Arbitraria V V V REPRESENTACIÓN EN FRECUENCIA f f (ESPECTRO) DC f1 DC f1 f2 f Continua Senoidal Arbitraria En el mundo de la Electrónica Analógica, las representaciones en frecuencia son mucho mas cómodas (p.e. Música, comunicaciones, etc). En una primera aproximación supondremos que la entrada al amplificador es senoidal de una frecuencia genérica. Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaIntroducción IDEAS BÁSICAS DE AMPLIFICACIÓN ¿Que es un amplificador? Dispositivo capaz de elevar el nivel de potencia de una señal. (En nuestro caso eléctrica: V o I) Objetivo ideal + + UE AMPLIFICADOR US RL PE = 0 - - PS = ∞ Carga (Entiendase, la que se quiera) Fuente de señal (Información) La información en la fuente de señal puede estar presente en forma de tensión (VE) o en forma de corriente (IE). A la salida (en la carga), la información se puede entregar (con mayor potencia) pero en forma de tensión (VS) o de corriente (IS). Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaIntroducción TIPOS DE AMPLIFICADORES Información de Información de Entrada Salida Tensión (UE) Amplificador de tensión (V/V) Tensión (US) Tensión (UE) Amplificador de Trans-conductancia (I/ Corriente (IS) V) Corriente (IE) Amplificador de Trans-resistencia (V/I) Tensión (US) Corriente (IE) Amplificador de Corriente (I/I) Corriente (IS) Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificador ideal de tensión + + + UE RL US A UE - - Carga A = ganancia de tensión Características del amplificador ideal de tensión: • No consume corriente en la entrada • La tensión de salida no depende de la carga • La ganancia de tensión A es constante e independiente de la frecuencia Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaEquivalente de Thevenin de un amplificador real Admitiendo excitación senoidal y aunque el amplificador es un circuito complejo (transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc) podemos caracterizar el amplificador con ayuda de tres elementos: • Dos impedancias (Impedancia de entrada y de salida) • Una ganancia (de tensión en vació o de corriente en cortocircuito) El conjunto de estos parámetros permite obtener un equivalente eléctrico sencillo del amplificador (EQUIVALENTE THEVENIN). + + + RS UE RE US A VE - - Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaEquivalente de Thevenin de un amplificador real IMPEDANCIA DE ENTRADA (RE) IE Si la entrada es en tensión, nos interesa: + UE RE RE = ∞ (La mas grande posible) - Si la entrada es corriente, nos interesa: IE = 0 (Lo mas pequeña posible) UE RE = IE Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaEquivalente de Thevenin de un amplificador real GANANCIA DE TENSIÓN EN VACÍO + Tensión de vacío proporcional a la entrada + A UE (VS)VACIO A = Ganancia de tensión en vacío - Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaEquivalente de Thevenin de un amplificador real IMPEDANCIA DE SALIDA (U S )VACIO RS = ( I S ) CORTO + (US)VACIO Mide la capacidad de entregar potencia del amplificador. - Si la salida es en tensión, nos interesará RS = 0 (pequeña) (IS)CORTO + + ZS Representación para un VS A UE equivalente de salida en - tensión Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaRespuesta en frecuencia de un amplificador En todo amplificador aparecen elementos reactivos (condensadores, inductancias, etc). Unos introducidos por nosotros para realizar una cierta función (p.e. eliminar continua, filtrar, etc) y otros muchos parásitos (inductancia de cables, capacidades parásitas de uniones PN, etc) Se conoce como DIAGRAMA DE BODE la representación de la variación de ganancia de un amplificador con la frecuencia (módulo y argumento) VE Relación de amplitudes (MÓDULO) |A| = MÓDULO = Relación de amplitudes A = ARGUMENTO = Desfase VS θ Desfase (ARGUMENTO) Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaRespuesta en frecuencia de un amplificador DIAGRAMAS DE BODE Normalmente la escala de frecuencias es logarítmica Ganancia 0.01 0.1 1 10 100 1K 10K [f] 10 -2 -1 0 1 2 3 4 [log f] 1 DÉCADA f Notar que la frecuencia 0 (DC-continua) en una escala logarítmica está en -∞ Desfase 90º La Ganancia se representa también habitualmente en 0º una escala logarítmica especial (dB = Decibelios) -90º US f dB = 20 ⋅ log = 20 ⋅ log A UE Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaRespuesta en frecuencia de un amplificador Comentarios respecto a la definición de decibelio  Definición de ganancia de potencia en decibelios (dB) : B = Punto referencia del circuito PA A P ( dB ) = 10 ⋅ log10 A = Punto donde se mide la PB ganancia respecto de B Si la potencia se entrega sobre cargas iguales: 2 VA 2 P RLOAD V  V  A P ( dB ) = 10 ⋅ log10 A = 10 ⋅ log10 = 10 ⋅ log10  A  = 20 ⋅ log10  A  PB VB2 V  V   B   B  RLOAD  VA   Definición de ganancia de tensión en dB: A u ( dB ) = 20 ⋅ log10   V   B Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados VE -VR VE A VS - VR β Se cumplen las siguientes relaciones: V R = VS · β A VS = ( VE - VS · β ) · A  VS = V E · VS = ( V E - V R ) · A 1+A·β Ganancia del amplificador realimentado Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados A V S = VE · 1+A·β Ganancia de lazo Tipos de realimentación: •Realimentación negativa: A · β > 0 •Realimentación positiva: A · β < 0 Caso particular: A · β = -1 (realimentación crítica) Ganancia del sistema realimentado infinita:  Aunque se tenga VE = 0, puede haber señal de salida Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados Realimentación negativa: A · β > 0 VE -VR VE A VS - Por ejemplo: A>0 y β>0 β VR Si por cualquier perturbación la salida se incrementa: VS ↑  VR ↑  VE -VR ↓  VS ↓ La realimentación tiende a compensar las perturbaciones de la salida Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados Realimentación positiva: A · β < 0 VE -VR VE A VS - Por ejemplo: A>0 y β<0 β VR Si por cualquier perturbación la salida se incrementa: VS ↑  VR ↓  VE -VR ↑  VS ↑ La realimentación tiende a amplificar las perturbaciones de la salida Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0 VE Tacómetro Motor DC Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0 VE Tacómetro e no Fr Motor DC Error - Referencia Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0 VE Tacómetro e no Fr Motor DC Error - La realimentación negativa tiende a compensar Referencia las variaciones de la salida Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0 Este sistema equivale a: Motor referencia + Velocidad - carga de giro Tacómetro + circuitería Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0 Tacómetro e no Fr Motor DC - -1 Referencia Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres
  • Electrónica y Automatismos Área de Tecnología ElectrónicaAmplificadores realimentados Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0 Tacómetro e no Fr Motor DC error ↓ - -1 La realimentación positiva tiende a aumentar Referencia las variaciones de la salida (se para o se embala). Universidad de Oviedo Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres