Conexión en cascada de etapas amplificadoras

INTRODUCCIÓN

Un amplificador se describe un circuito capaz de procesar las señales de acuerdo a la naturaleza de su aplicación. El amplificador sabrá extraer la información de toda señal, de tal manera que permita mantener o mejorar la prestación del sistema que genera la señal (sensor o transductor usado para la aplicación).

Se llama amplificador multietapa a los circuitos o sistemas que tienen múltiples transistores y además pueden ser conectadas entre sí para mejorar sus respuestas tanto en ganancia, Zin, Zout o ancho de banda. Las aplicaciones pueden ser tanto de DC como de CA.

Todas estas etapas amplificadoras pueden ser integradas y encapsuladas en un chip semiconductor llamado Circuito Integrado.

En el presente trabajo se definirá que es un amplificador multietapa y se analizaran los diferentes tipos de acople que se pueden implementar entre etapa así como, las diferentes configuraciones que se pueden utilizar como son: Conexión en cascada, cascode sus ventajas y desventajas y darlington según la aplicación a la que estén destinados.

Conexión en cascada de etapas amplificadoras.

Amplificador en cascada.

Una conexión popular entre etapas de amplificador es la conexión en cascada. Básicamente una conexión en cascada es aquella en la cual la salida de una etapa se conecta a la entrada de la segunda etapa. La figura 7.1 muestra una conexión en cascada de dos etapas de amplificador a FET. La conexión en cascada proporciona una multiplicación de la ganancia en cada una de las etapas para tener una mayor ganancia en total. La ganancia total del amplificador en cascada es el producto de las ganancias de las etapasAv1 yAv2.

En este caso:

La impedancia de entrada (Zi) del amplificador en cascada es la de la etapa 1: mientras la impedancia de salida (Zo) es la de la etapa 2:

La función principal de las etapas en cascada es conseguir la mayor ganancia total. Puesto que la polarización de Cd y los cálculos de Ca para un amplificador en cascada se siguen de aquellos deducidos para las etapas individuales, un ejemplo demostrará los diversos cálculos para determinar la polarización de Cd y la operación de Ca.

Acoplamiento directo, capacitivo, por transformador, óptico

Acoplamiento directo.

Dos amplificadoras están acopladas directamente si la salida del primer amplificador se conecta en forma directa a la entrada del segundo sin utilizar capacitores. La salida en Ca de la primera etapa está superpuesta con el nivel de Cd estático de la segunda etapa. El nivel de Cd de la salida de la etapa anterior se suma al nivel de Cd de polarización de la segunda etapa. Para compensar los cambios en los niveles de polarización, en amplificador utiliza diferentes valores de Fuentes de tensión de Cd en lugar de una fuente de Vcc sencilla.

El acoplamiento directo se pueden utilizar de manera efectiva al acoplar en el amplificador EC a uno ES. El amplificador acoplado directamente tiene una buena respuesta en frecuencias pues no existen elementos de almacenamiento en serie (es decir, sensibles a la frecuencia) que afecten la señal de salida en baja frecuencia.

Acoplamiento capacitivo.

Constituye la forma más simple y efectiva de desacoplar los efectos del nivel de Cd de la primera etapa del amplificador, de aquellos de la segunda etapa. El capacitor separa el componente de Cd de la señal de Ca. Por tanto, la etapa anterior no afecta la polarización de la siguiente. Para asegurar que la señal no cambie de manera significativa por la adición de un capacitor, es necesario que esté se comporte como corto circuito para todas las frecuencias al amplificar.

Acople con transformador.

Se utiliza a menudo cuando se amplifican señales de alta frecuencia. Como los transformadores con una respuesta amplia en frecuencia son costosos, su uso se limita a amplificadores de potencia. Cuando el transformador es sintonizado se usa en receptores de radio y televisión, de tal forma que las etapas no solo amplifican la señal (video ó audio) sino que también realizan la función de separar la estación deseada de las demás recibidas por la antena.

Los amplificadores ópticos.

Estos dispositivos generan una réplica de la señal de entrada pero con mayor nivel de potencia, operando completamente en el dominio óptico. Además pueden emplearse en otros procesos como la conmutación, la de multiplicación, o bien en la conversión de longitud de onda, aprovechando su comportamiento no lineal.

Estudio de los efectos de carga y el corrimiento de nivel DC Amplificadores multietapas en cascada y cascode.

Amplificador en cascada.

Un amplificador en cascada es un amplificador construido a partir de una serie de amplificadores, donde cada amplificador envía su salida a la entrada del amplificador al lado de una cadena, Una conexión entre etapas de amplificador es la conexión en cascada. Básicamente una conexión en cascada es aquella en la cual la salida de una etapa se conecta a la entrada de la segunda etapa.

Amplificador Cascode

El amplificador cascode es un amplificador que mejora algunas características del amplificador de Base Común. El amplificador Base Común es la mejor opción en aplicaciones de altas frecuencias, sin embargo su desventaja es su muy baja impedancia de entrada. El amplificador cascode se encarga de aumentar la impedancia de entrada pero manteniendo sobre todo la gran utilidad de la configuración Base Común, es ventajoso en el manejo de señales de alta frecuencia. Para conseguir este propósito, el amplificador cascode detiene una entrada de Emisor Común y una salida de Base Común, a esta combinación de etapas se le conoce como configuración cascode.

Objetivo.

* Obtener una ganancia de corriente y una ganancia de tensión.

* Obtener una respuesta alta de frecuencia.

Ventajas y desventajas de cada uno.

Ventajas del Amplificador cascode.

• Todos los elementos amplificadores, (Transistores, etc.) presentan una capacidad parásita entre la salida y la entrada, que cuando trabajan en el montaje emisor común (que es el más usual), influye en el circuito de entrada (base) añadiendo a la capacidad propia no solamente más capacidad, si no que ésta influye negativamente en la respuesta de frecuencia más que la primera, por el hecho de que proviene de una tensión ya amplificada del transistor.

• A este efecto perjudicial, en la respuesta de frecuencia, se le llama Efecto Miller. Pues bien utilizando el montaje de base común, se consigue que la capacidad parásita colector base, no influya en el circuito de entrada con la consiguiente mejora en la respuesta de frecuencia. Pero este montaje presenta una baja impedancia de entrada, cosa que tampoco es deseable, por lo cual se le asocia a otra con emisor a masa de la forma convencional. Este es el montaje "Cascode" mediante el cual se optimiza la respuesta de frecuencia manteniendo una alta impedancia de entrada.

• Su alta impedancia de salida y la reducción del efecto de la capacidad Miller a la entrada del amplificador, lo cual será de gran importancia a la hora de realizar los diseños de amplificadores operacionales y analizar el comportamiento de éstos en frecuencia.

Desventajas del Amplificador cascode.

• Su alta impedancia de salida y el uso de dos transistores para el manejo de señales de alta frecuencia.

Amplificadores multietapa

Concepto

Los amplificadores multietapa son circuitos electrónicos formados por varios transistores (BJT o FET), que pueden ser acoplados en forma directa, mediante capacitores o usando un transformador. Es un circuito capaz de procesar las señales de acuerdo a la naturaleza de la aplicación, es decir, que recibe una señal y devuelve una señal idéntica pero de otra amplitud, menor o mayor y que tiene más de una etapa en la que realiza dicha operación.

Tipos de acoplamiento

El acoplamiento establece la forma en la cual se conectan las distintas etapas amplificadores, dependiendo de la naturaleza de la aplicación y las características de respuesta que se desean. Existen distintos tipos de acoplamiento: Acoplamiento directo, capacitivo y por transformador.

Acoplamiento directo.

Las etapas se conectan en forma directa, es permite una amplificación tanto de la componente de señal como de la componente continua del circuito. Se dice que los circuitos de DC se acoplan directamente. El acoplamiento directo se puede utilizar de manera efectiva al acoplar un amplificador emisor común a uno emisor seguidor, porque la corriente de polarización en un emisor seguidor por lo general es alta. El acoplamiento directo elimina la necesidad de conectar con el capacitor de acoplamiento y con los resistores R1 y R2 de la segunda etapa. El amplificador acoplado directamente tiene una buena respuesta en frecuencias pues no existen elementos de almacenamiento en serie (es decir sensibles a la frecuencia) que afecten la señal de salida en baja frecuencia.

El amplificador resultante tiene una excelente respuesta en baja frecuencia y puede amplificar señales de CD. Es también más simple fabricar un circuito integrado pues no se necesita capacitores.

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