PRACTICA 1

AMPLIFICADORES RETROALIMENTADOS

RETROALIMENTACION. En su búsqueda de métodos para el diseño de amplificadores con ganancia estable para el uso de los repetidores telefónicos Harold Black, un ingeniero de electrónica de la compañía Western Electric inventó el amplificador retroalimentado en 1928.

Desde entonces esta técnica se ha ocupado tan ampliamente que es casi imposible pensar en los circuitos electrónicos sin alguna forma de retroalimentación, tanto implícita como explícita; la mayor parte de los sistemas físicos incluyen alguna forma de retroalimentación. Más aún el concepto de la retroalimentación y su teoría asociada es utilizado corrien-temente en áreas diferentes de la Ingeniería, como el modelo de sistemas biológicos.

La retroalimentación puede ser tanto positiva como negativa (regenerativa,degenerativa). Es interesante notar, sin embargo, que los ingenieros en electrónica han desarro-llado la teoría de la retroalimentación negativa.

En el diseño de los amplificadores la retroalimentación se aplica para el efecto de una o más de las propiedades siguientes:

-Desensibiliza la ganancia- esto es, hace el valor de la menos sensible a las variaciones en el valor de los componentes del circuito, tales como las variaciones que podrían provocar las variaciones en

la temperatura.

-Reduce la distorsión no lineal- es decir, hace la salida proporcional a la entrada (en otras palabras hace a la ganancia del valor de nivel de señal).

-Reduce el efecto del ruido- señales eléctricas indeseables generadas por los componentes del circuito y de la interfe-rencia externa.

-Controla las impedancias de entrada y de salida- al selec-cionar una topología de retroalimentación apropiada, puede hacerse que las impedancias de entrada y de salida aumenten o disminuyan según se desee.

-Extensión del ancho de banda del amplificador- Todas las propiedades deseables anteriores se obtienen a expensas de una reducción de ganancia, y al factor de reducción de ganan-cia se le llama magnitud de retroalimentación, es el factor por el cual el circuito se desensibiliza, mediante el cual el ancho de banda se extiende, la impedancia de entrada de un amplificador de voltaje se incrementa y así sucesivamente.

En síntesis, la idea básica de la retroalimentación negativa es cambiar ganancia por otras propiedades deseables.

Bajo ciertas condiciones la retroalimentación puede volverse positiva y de tal magnitud que cause oscilaciones.

Sin embargo, no debe implicarse que la retroalimentación positiva lleva a la inestabilidad, esta es útil en cierto número de aplicaciones tales como el diseño de los filtros activos.

Para hablar de amplificadores retroalimentados primero debemos citar todos las partes que componen un amplificador retroalimentado, así tenemos un amplificador básico, cualquier tipo de amplificador básico como los vistos en electrónica 2, una red de retroalimentación, esta red puede estar formada por elementos activos o pasivos, una red para muestrear la variable de salida y una red mezcladora que se utiliza para sumar la variable de entrada con la variable de retroalimentación. Consideremos la configuración inversora en la cual la variable de retroalimentación está desfasada 180 grados respecto a la entrada, si está en fase se dice que tenemos retroalimentación positiva.

Hay cuatro distintas combinaciones de transferencia en los amplificadores retroalimentados.

Avf= Xo = voltaje de salida

Xi voltaje de entrada AMPLIFICADOR DE VOLTAJE

Aif= Xo = corriente de salida AMPLIFICADOR DE VOLTAJE

Xi corriente de entrada

Gif =Xo = corriente de salida AMPLIF.DE TRANSADMITANCIA

Xi voltaje de entrada

Rmf= Xo = voltaje de entrada AMPLIF.DE TRANSIMPEDANCIA

Xi corriente de entrada

TOPOLOGIAS BASICAS

Amplificadores de voltaje (retroalimentación en serie y derivación), se requiere impedancia de entrada alta e impedancia de salida baja. Muestrea voltaje y suma voltaje.

Amplificadores de corriente (retroalimentación en derivación y serie). Impedancia de entrada baja y de salida alta. Muestrea corriente y suma corriente.

Amplificadores de transcoductancia (retroalimentación serie-serie). Muestrea corriente y suma voltaje.

Amplificadores de transimpedancia (retroalimentación derivación-derivación). Muestrea voltaje y suma corriente.

Si consideramos la realimentación negativa conectando la resistencia Rf entre la salida y la entrada. La comparación real de la salida y la entrada tiene lugar combinando las corrientes i1 e i2 en el nodo de entra-

da, por lo que se le llama diferenciación de corriente. Para facilitar el análisis se puede sustituir la resistencia de realimentación por el circuito equivalente representado en la figura 1.1.Si se desea un circuito equivalente general se tiene el de la figura 1.2

Según el señor Schilling un amplificador diferenciador de corriente negativa comprende conceptualmente tres secciones.

Un amplificador al que se le aplica la realimentación

Una red de realimentación que puede contener desde una sola resistencia hasta un circuito con elementos no lineales.

Un circuito diferenciador (o sumador) en que la salida se compara con la entrada.

DIFERENCIADOR DE TENSION

El circuito diferenciador de tensión difiere del circuito diferenciador de corriente en que la salida de la red de realimentación está en serie con la resistencia de entrada. Aquí la comparación de la salida y la entrada se realiza por medio de la adición de tensiones.

Para mayor claridad se muestra a continuación la figura de un circuito diferenciador de tensión.

La figura muestra la estructura básica al final de la página de un amplificador de retroalimentación. Más que mostrar voltajes y corrientes esta figura es un diagrama de flujo de señal en donde cada una de las señales puede representar tanto una señal de voltaje como una señal de corriente. El amplificador de lazo abierto tiene una ganancia A; de esta manera su salida "x se relaciona con la entrada xo mediante:

A=Xo/Xi

La salida x se alimenta tanto a la salida del amplificador básico como a la entrada del circuito de retroalimentación el cual produce una muestra de salida. Esta muestra de salida xo se relaciona con xo mediante la relación con el factor de retroalimentaci6n (Beta).

Xf=BXo

La señal de retroalimentación se resta de la señal de la fuente Xs que es la entrada al amplificador de retroalimentación completo para producir una señal X i que es la entrada del amplificador básico.

Xi=Xs-BXo

Esta es la sustracción que hace negativa la retroalimen-tación. En esencia la retroalimentación negativa reduce la seña que aparece a la entrada del amplificador básico.

En la descripción anterior va implícito que la fuente, la carga y el circuito de retroalimentación no cargan al amplificador básico esto es, la ganancia A no depende de ninguno de estos circuitos. En la práctica éste no será el caso y se tendrá que encontrar un método para formar un circuito real de la estructura ideal.

Este nuevo diagrama permitirá observar que la transmisión directa ocurre enteramente a través del amplificador básico y la transmisión inversa sucede enteramente a través del circuito de retroalimentación. D2e las ecuaciones Xo y X s podemos obtener la ganancia del amplificador retroalimentado así:

A=X0/Xi= Xo = Xo/Xi = Af

Xi-Bxo 1-BXO/Xi 1-AfB

A la cantidad AB se le llama ganancia de lazo 5 de bucle, y 1 + AB se llama cantidad o magnitud de retroalimentación.

Si, como en el caso de muchos circuitos, la ganancia de lazo AB grande.

entonces se deduce

AB»1

A f = 1/B

es decir, la ganancia del amplificador de retroalimentación se determina casi por completo por el circuito de retroali-mentación. Ya que el circuito de retroalimentación usualmente consta de componentes pasivos tan precisos como se desee, la ventaja de la retroalimentación negativa al obtener ganancia precisa, predecible y estable resulta evidente. En otras palabras, la ganancia total tendrá muy poca dependencia de la ganancia del amplificador básico. Esta es una propiedad deseable ya que la ganancia A es usualmente una función de muchos parámetros, algunos de los cuales pueden tener amplias tolerancias.

Si se emplea una gran magnitud de retroalimentación negativa, la señal de retroalimentación X f se vuelve una réplica casi exacta de la señal de entrada X S . Un resultado de esta propiedad es el seguimiento de las dos terminales de entrada de un amplificador op. de diferencia entre X S y X f que es Xi se conoce a veces como la señal de error.

DESARROLLO

Proponiendo

Vcc= 12v

ICQ= 10 mA

Rs= 8.2 K

RL= 15 K

Rf= 15K

Si analizamos el circuito utilizado para esta práctica tendremos que

Re= 1/ICQ= 1/10mA= 100 ohms

Rc= 5V/10mA= 500 ohms

R1= Rb/(1-Vbb/Vcc)= 1K/(1-1.7/12)=1.2K comercial

R2= Rb(Vcc/Vbb)= 1K(12/1.7)= 6.8K

Modelando la red de retroalimentación con parámetros h, debido a que es un serie paralelo y si utilizamos la técnica de reflejos de impedancia como hemos venido haciendo para todo tipo de problemas de este tipo:

Para poder obtener nuestra relación Vo/Vs obtenemos las siguientes rela- ciones de nuestro cto. anterior.

ib1/Vs = 10.025x10-6

ib2/ib1= -321.74(5.7 + Ze)

si Io= -2.59 ib2 y Vo=-Iox15K entonces

Vo/ib2=44.25K

Realizando la multiplicación de los cocientes anteriores tenemos:

Vo/Vs= 142.72/(5.7 + Ze)

Como Ze= Re/(sCRe+1)

S= ((5.7+Re)/(5.7CeRe)

Si Re=100 ohms, ahora calculamos el valor de Ce de la ecuación característica.

Para un polo a 15 KHz

Wp=1/5.4Ce

Ce=1.96uF

Con un valor comercial de 1.68uF el polo del circuito se encontrará a 17.5 KHz

El cálculo de los demás capacitores de acoplamiento se realiza utilizando el método que nos dió el Ing. Yanga llamado método rápido

W=1/CxRx donde Cx es el capacitor duscado

Rx es la resistencia vista por el capacitor

Obtenemos los siguientes valores de los capacitores

C1=0.22uF c2=1uF c3=0.1uF

Si hacemos que s tienda a infinito en nuestra ecuación de transferencia de voltaje, obtenemos nuestra ganancia en frecuencia media.

Av= (ib1/Vs)(ib2/ib1)(vo/ib2)

Donde obtenemos la ganancia del básico que es Av=24.98

Para hallar el lazo hacemos cero la excitación y abrimos el lazo colocando una fuente auxiliar llamada Vo´

L=(ib1/Vo´)(ib2/ib1)(vo/ib2)

Calculando para la frecuencia media haciendo s a infinito tenemos:

L=1.475

Para calcular la ganancia del amplificador retroalimentado

Avf= Av/(1-L)= 10.092

La impedancia de entrada del amplificador

Ri=9.126K

Y l2a impedancia de entrada del amplificador retroalimentado

Rif=9.126K(1+1.475)=22.58K como notamos la impedancia de entrada se hizo más grande por ser un amplificador serie.

La resistencia del amplificador básico

Ro= 455.8/15000=442.35

Para la impedancia de salida del amplificador retroalimentado

Rof= 442.35/(1+1.475)=178.72 ohms

De la ecuación característica poemos obtener la sensitividad

Swl Ce =1

Para aterrizar todos estos conocimientos ncesitamos llevarlos al laboratorio, he aquí los resultados en el laboratorio:

Av=24

Avf=9.55

Lazo=1.5

Ro=419.04 ohms

Rof=191.3 ohms

Frecuencia del polo 17.8 KHz

Sensitividad=1