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4.12: Comentarios

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    Si algún porcentaje de la señal de salida de un amplificador está conectado a la entrada, para que el amplificador amplifique parte de su propia señal de salida, tenemos lo que se conoce como retroalimentación. La retroalimentación viene en dos variedades: positiva (también llamada regenerativa) y negativa (también llamada degenerativa). La retroalimentación positiva refuerza la dirección del cambio de voltaje de salida de un amplificador, mientras que la retroalimentación negativa hace exactamente lo contrario.

    Un ejemplo familiar de retroalimentación ocurre en los sistemas de megafonía (“PA”) donde alguien sostiene el micrófono demasiado cerca de un altavoz: se produce un “gemido” o “aullido” agudo, porque el sistema amplificador de audio está detectando y amplificando su propio ruido. En concreto, este es un ejemplo de retroalimentación positiva o regenerativa, ya que cualquier sonido detectado por el micrófono es amplificado y convertido en un sonido más fuerte por el altavoz, que luego es detectado nuevamente por el micrófono, y así sucesivamente. el resultado es un ruido de aumento constante. volumen hasta que el sistema se “satura” y no pueda producir más volumen.

    Uno podría preguntarse cuál es la posible retroalimentación de beneficios para un circuito amplificador, dado un ejemplo tan molesto como el sistema de megafonía “aullido”. Si introducimos retroalimentación positiva, o regenerativa, en un circuito amplificador, tiene la tendencia de crear y sostener oscilaciones, cuya frecuencia está determinada por los valores de los componentes que manejan la señal de retroalimentación de salida a entrada. Esta es una forma de hacer un circuito oscilador para producir CA a partir de una fuente de alimentación de CC. Los osciladores son circuitos muy útiles, por lo que la retroalimentación tiene una aplicación práctica y definida para nosotros. Consulte “Oscilador de desplazamiento de fase”, Ch 9 para una aplicación práctica de retroalimentación positiva.

    La retroalimentación negativa, por otro lado, tiene un efecto de “amortiguación” en un amplificador: si la señal de salida pasa a aumentar de magnitud, la señal de retroalimentación introduce una influencia decreciente en la entrada del amplificador, oponiéndose así al cambio en la señal de salida. Mientras que la retroalimentación positiva impulsa un circuito amplificador hacia un punto de inestabilidad (oscilaciones), la retroalimentación negativa lo impulsa en la dirección opuesta: hacia un punto de estabilidad.

    Un circuito amplificador equipado con cierta cantidad de retroalimentación negativa no solo es más estable, sino que distorsiona menos la forma de onda de entrada y generalmente es capaz de amplificar un rango más amplio de frecuencias. La compensación por estas ventajas (solo tiene que haber una desventaja ante la retroalimentación negativa, ¿verdad?) es disminución de la ganancia. Si una porción de la señal de salida de un amplificador se “retroalimenta” a la entrada para oponerse a cualquier cambio en la salida, requerirá una mayor amplitud de señal de entrada para impulsar la salida del amplificador a la misma amplitud que antes. Esto constituye una ganancia disminuida. Sin embargo, las ventajas de estabilidad, menor distorsión y mayor ancho de banda valen la compensación en ganancia reducida para muchas aplicaciones.

    Examinemos un circuito amplificador simple y veamos cómo podríamos introducir retroalimentación negativa en él, comenzando con la Figura a continuación.

    03311.png

    Amplificador de emisor común sin realimentación.

    La configuración del amplificador que se muestra aquí es un emisor común, con una red de polarización de resistencia formada por R1 y R2. El condensador acopla la entrada V al amplificador para que la fuente de señal no tenga un voltaje de CC impuesto sobre ella por la red divisora R 1/R2. La resistencia R 3 sirve para controlar la ganancia de voltaje. Podríamos omitirlo para obtener la máxima ganancia de voltaje, pero dado que las resistencias base como esta son comunes en los circuitos amplificadores de emisor común, la mantendremos en este esquema.

    Como todos los amplificadores de emisor común, éste invierte la señal de entrada a medida que se amplifica. En otras palabras, un voltaje de entrada positivo hace que el voltaje de salida disminuya, o se mueva hacia negativo, y viceversa. Las formas de onda del osciloscopio se muestran en la Figura siguiente.

    03312.png

    Amplificador de emisor común, sin realimentación, con formas de onda de referencia para comparación.

    Debido a que la salida es una reproducción invertida, o imagen especular, de la señal de entrada, cualquier conexión entre el cable de salida (colector) y el cable de entrada (base) del transistor en la Figura siguiente dará como resultado retroalimentación negativa.

    03313.png

    La retroalimentación negativa, la retroalimentación del colector, disminuye la señal de salida.

    Las resistencias de R 1, R2, R 3 y R funcionan juntas como una red de mezcla de señales de modo que el voltaje visto en la base del transistor (con respecto a tierra) es un promedio ponderado de la tensión de entrada y la tensión de realimentación, lo que resulta en señal de amplitud reducida entrando en el transistor. Entonces, el circuito amplificador en la Figura anterior tendrá ganancia de voltaje reducida, pero linealidad mejorada (distorsión reducida) y mayor ancho de banda.

    Sin embargo, una resistencia que conecta el colector a la base no es la única forma de introducir retroalimentación negativa en este circuito amplificador. Otro método, aunque más difícil de entender al principio, implica la colocación de una resistencia entre el terminal emisor del transistor y la masa del circuito en la Figura siguiente.

    03314.png

    Retroalimentación del emisor: Un método diferente para introducir retroalimentación negativa en un circuito.

    Esta nueva resistencia de retroalimentación disminuye la tensión proporcional a la corriente del emisor a través del transistor, y lo hace de tal manera que se opone a la influencia de la señal de entrada en la unión base-emisor del transistor. Echemos un vistazo más de cerca a la unión emisor-base y veamos qué diferencia hace esta nueva resistencia en la Figura a continuación.

    Sin resistencia de realimentación que conecte el emisor a tierra en la figura siguiente (a), cualquier nivel de señal de entrada (entrada V) que pase a través del condensador de acoplamiento y la red de resistencias R 1/R 2 /R 3 se impondrá directamente a través de la unión base-emisor como voltaje de entrada del transistor (V B-E). En otras palabras, sin resistencia de realimentación, V B-E es igual a entrada V. Por lo tanto, si la entrada V aumenta en 100 mV, entonces V B-E aumenta en 100 mV: un cambio en uno es lo mismo que un cambio en el otro, ya que los dos voltajes son iguales entre sí.

    Ahora consideremos los efectos de insertar una resistencia (realimentación R) entre el cable emisor del transistor y la tierra en la Figura siguiente (b).

    03315.png03316.png

    (a) Sin retroalimentación vs (b) retroalimentación del emisor. Una forma de onda en el colector se invierte con respecto a la base. En (b) la forma de onda del emisor está en fase (seguidor de emisor) con base, fuera de fase con colector. Por lo tanto, la señal del emisor resta de la señal de salida del colector.

    Observe cómo el voltaje caído a través de la retroalimentación R se suma con V B-E para igualar la entrada de V. Con la retroalimentación R en el bucle V de entrada —V B-E, V B-E ya no será igual a la entrada V. Sabemos que la retroalimentación R bajará un voltaje proporcional a la corriente del emisor, que a su vez es controlada por la corriente base, que a su vez es controlada por la tensión caída a través de la unión base-emisor del transistor (V B-E). Por lo tanto, si la entrada V aumentara en una dirección positiva, aumentaría V B-E, causando más corriente base, causando más corriente de colector (carga), causaría más corriente del emisor y provocaría que se cayera más voltaje de retroalimentación a través de la retroalimentación R. Este aumento de caída de voltaje a través de la resistencia de retroalimentación, sin embargo, resta de la entrada de V para reducir el V B-E, de modo que el aumento de voltaje real para V B-E será menor que el aumento de voltaje de la entrada V. Ya no dará como resultado un aumento de 100 mV en la entrada de V un aumento completo de 100 mV para V B-E, porque los dos voltajes no son iguales entre sí.

    En consecuencia, el voltaje de entrada tiene menos control sobre el transistor que antes, y la ganancia de voltaje para el amplificador se reduce: justo lo que esperábamos de la retroalimentación negativa.

    En los circuitos prácticos de emisor común, la retroalimentación negativa no es solo un lujo; es una necesidad para un funcionamiento estable. En un mundo perfecto, podríamos construir y operar un amplificador de transistor de emisor común sin retroalimentación negativa, y tener la amplitud completa de la entrada V impresionada a través de la unión base-emisor del transistor. Esto nos daría una gran ganancia de voltaje. Desafortunadamente, sin embargo, la relación entre el voltaje base-emisor y la corriente base-emisor cambia con la temperatura, como lo predice la “ecuación de diodo”. A medida que el transistor se calienta, habrá menos caída de voltaje directo a través de la unión base-emisor para cualquier corriente dada. Esto nos causa un problema, ya que la red divisora de voltaje R 1/R2 está diseñada para proporcionar la corriente de reposo correcta a través de la base del transistor para que opere en cualquier clase de operación que deseemos (en este ejemplo, he mostrado el amplificador funcionando en modo clase A ). Si la relación voltaje/corriente del transistor cambia con la temperatura, cambiará la cantidad de voltaje de polarización de CC necesario para la clase de operación deseada. Un transistor caliente extraerá más corriente de polarización para la misma cantidad de voltaje de polarización, haciendo que se caliente aún más, dibujando aún más corriente de polarización. El resultado, si no se marca, se llama fuga térmica.

    Sin embargo, los amplificadores de colector común (Figura a continuación) no sufren de fuga térmica. ¿Por qué es esto? La respuesta tiene todo que ver con la retroalimentación negativa.

    03317.png

    Amplificador colector común (seguidor emisor).

    Tenga en cuenta que el amplificador de colector común (Figura anterior) tiene su resistencia de carga colocada exactamente en el mismo punto que teníamos la resistencia de retroalimentación R en el último circuito de la Figura anterior (b): entre emisor y tierra. Esto significa que el único voltaje impreso a través de la unión base-emisor del transistor es la diferencia entre la entrada V y la salida V, lo que resulta en una ganancia de voltaje muy baja (generalmente cercana a 1 para un amplificador de colector común). La fuga térmica es imposible para este amplificador: si la corriente base aumenta debido al calentamiento del transistor, la corriente del emisor también aumentará, disminuyendo más voltaje a través de la carga, lo que a su vez resta de la entrada de V para reducir la cantidad de voltaje caído entre la base y emisor. En otras palabras, la retroalimentación negativa proporcionada por la colocación de la resistencia de carga hace que el problema de la autocorrección térmica se autocorrija. A cambio de una ganancia de voltaje muy reducida, obtenemos una excelente estabilidad e inmunidad frente a la fuga térmica.

    Al agregar una resistencia de “retroalimentación” entre emisor y tierra en un amplificador de emisor común, hacemos que el amplificador se comporte un poco menos como un emisor común “ideal” y un poco más como un colector común. El valor de la resistencia de retroalimentación suele ser bastante menor que la carga, minimizando la cantidad de retroalimentación negativa y manteniendo la ganancia de voltaje bastante alta.

    Otro beneficio de la retroalimentación negativa, visto claramente en el circuito colector común, es que tiende a hacer que la ganancia de voltaje del amplificador sea menos dependiente de las características del transistor. Tenga en cuenta que en un amplificador de colector común, la ganancia de voltaje es casi igual a la unidad (1), independientemente del β del transistor. Esto significa, entre otras cosas, que podríamos reemplazar el transistor en un amplificador de colector común por uno que tenga un β diferente y no ver ningún cambio significativo en la ganancia de voltaje. En un circuito de emisor común, la ganancia de voltaje es altamente dependiente de β. Si tuviéramos que reemplazar el transistor en un circuito de emisor común por otro de β diferente, la ganancia de voltaje para el amplificador cambiaría significativamente. En un amplificador de emisor común equipado con retroalimentación negativa, la ganancia de voltaje seguirá dependiendo del transistor β hasta cierto punto, pero no tanto como antes, haciendo que el circuito sea más predecible a pesar de las variaciones en el transistor β.

    El hecho de que tengamos que introducir retroalimentación negativa en un amplificador de emisor común para evitar la fuga térmica es una solución insatisfactoria. ¿Es posible evitar la fuga térmica sin tener que suprimir la ganancia de voltaje inherentemente alta del amplificador? La mejor solución de ambos mundos a este dilema está disponible para nosotros si examinamos de cerca el problema: la ganancia de voltaje que tenemos que minimizar para evitar la fuga térmica es la ganancia de voltaje de CC, no la ganancia de voltaje de CA. Después de todo, no es la señal de entrada de CA la que alimenta la fuga térmica: es el voltaje de polarización de CC requerido para una cierta clase de operación: esa señal de CC inactiva que usamos para “engañar” al transistor (fundamentalmente un dispositivo de CC) para que amplifique una señal de CA. Podemos suprimir la ganancia de voltaje de CC en un circuito amplificador de emisor común sin suprimir la ganancia de voltaje de CA si descubrimos una manera de hacer que la retroalimentación negativa solo funcione con CC. Es decir, si solo retroalimentamos una señal de CC invertida de salida a entrada, pero no una señal de CA invertida.

    La resistencia del emisor de retroalimentación R proporciona retroalimentación negativa al disminuir un voltaje proporcional a la corriente de carga. En otras palabras, la retroalimentación negativa se logra insertando una impedancia en la trayectoria de corriente del emisor. Si queremos retroalimentar CC pero no CA, necesitamos una impedancia que sea alta para CC pero baja para CA. ¿Qué tipo de circuito presenta una alta impedancia a CC pero una baja impedancia a CA? ¡Un filtro de paso alto, por supuesto!

    Al conectar un condensador en paralelo con la resistencia de retroalimentación en la Figura a continuación, creamos la situación misma que necesitamos: una ruta de emisor a tierra que sea más fácil para CA que para CC.

    03318.png

    Ganancia de voltaje de CA alta restablecida al agregar derivación C en paralelo con retroalimentación R

    El nuevo condensador “desvía” la CA del emisor del transistor a tierra, de modo que no se reducirá ningún voltaje de CA apreciable del emisor a tierra para “retroalimentar” a la entrada y suprimir la ganancia de voltaje. La corriente continua, por otro lado, no puede pasar por el condensador de derivación, por lo que debe viajar a través de la resistencia de retroalimentación, dejando caer una tensión de CC entre el emisor y la tierra, lo que disminuye la ganancia de voltaje de CC y estabiliza la respuesta de CC del amplificador, evitando la fuga térmica. Debido a que queremos que la reactancia de este condensador (X C) sea lo más baja posible, la derivación C debe tener un tamaño relativamente grande. Debido a que la polaridad a través de este condensador nunca cambiará, es seguro usar un condensador polarizado (electrolítico) para la tarea.

    Otro enfoque para el problema de la retroalimentación negativa que reduce la ganancia de voltaje es usar amplificadores de múltiples etapas en lugar de amplificadores de un solo transistor. Si la ganancia atenuada de un solo transistor es insuficiente para la tarea en cuestión, podemos usar más de un transistor para compensar la reducción causada por la retroalimentación. Un circuito de ejemplo que muestra retroalimentación negativa en un amplificador de emisor común de tres etapas es la figura a continuación.

    03321.png

    Los comentarios en torno a un número “impar” de etapas acopladas directas producen retroalimentación negativa.

    La ruta de retroalimentación desde la salida final a la entrada es a través de una sola resistencia, retroalimentación R. Dado que cada etapa es un amplificador de emisor común (invirtiendo así), el número impar de etapas de entrada a salida invertirá la señal de salida; la retroalimentación será negativa (degenerativa). Se pueden usar cantidades relativamente grandes de retroalimentación sin sacrificar la ganancia de voltaje, porque las tres etapas del amplificador proporcionan mucha ganancia para empezar.

    Al principio, esta filosofía de diseño puede parecer poco elegante y quizás incluso contraproducente. ¿No es esta una forma bastante cruda de superar la pérdida de ganancia incurrida mediante el uso de retroalimentación negativa, para simplemente recuperar ganancia sumando etapa tras etapa? ¿Cuál es el punto de crear una enorme ganancia de voltaje usando tres etapas de transistor si de todos modos vamos a atenuar toda esa ganancia con retroalimentación negativa? El punto, aunque quizás no aparente al principio, es una mayor previsibilidad y estabilidad del circuito en su conjunto. Si las tres etapas de transistor están diseñadas para proporcionar una ganancia de voltaje arbitrariamente alta (en decenas de miles, o mayor) sin retroalimentación, se encontrará que la adición de retroalimentación negativa hace que la ganancia de voltaje general sea menos dependiente de las ganancias de etapa individuales, y aproximadamente iguales a la relación simple R retroalimentación /R pulg. Cuanta más ganancia de voltaje tenga el circuito (sin retroalimentación), más cerca se aproximará la ganancia de voltaje a R realimentación /R una vez que se establezca la retroalimentación. Es decir, la ganancia de voltaje en este circuito está fijada por los valores de dos resistencias, y nada más.

    Esto es una ventaja para la producción masiva de circuitos electrónicos: si se pueden construir amplificadores de ganancia predecible usando transistores de valores β muy variados, facilita la selección y reemplazo de componentes. También significa que la ganancia del amplificador varía poco con los cambios de temperatura. Este principio de control de ganancia estable a través de un amplificador de alta ganancia “domesticado” por retroalimentación negativa se eleva casi a una forma de arte en circuitos electrónicos llamados amplificadores operacionales, o amplificadores operacionales. ¡Puedes leer mucho más sobre estos circuitos en un capítulo posterior de este libro!

    Revisar

    • La retroalimentación es el acoplamiento de la salida de un amplificador a su entrada.
    • La retroalimentación positiva o regenerativa tiene la tendencia de hacer inestable un circuito amplificador, de manera que produce oscilaciones (CA). La frecuencia de estas oscilaciones está determinada en gran medida por los componentes de la red de retroalimentación.
    • La retroalimentación negativa o degenerativa tiene la tendencia de hacer que un circuito amplificador sea más estable, de manera que su salida cambie menos para una señal de entrada dada que sin retroalimentación. Esto reduce la ganancia del amplificador, pero tiene la ventaja de disminuir la distorsión y aumentar el ancho de banda (el rango de frecuencias que el amplificador puede manejar).
    • La retroalimentación negativa se puede introducir en un circuito emisor común acoplando el colector a la base, o insertando una resistencia entre el emisor y tierra.
    • Una resistencia de “retroalimentación” de emisor a tierra generalmente se encuentra en los circuitos de emisor común como medida preventiva contra la fuga térmica.
    • La retroalimentación negativa también tiene la ventaja de hacer que la ganancia de voltaje del amplificador sea más dependiente de los valores de resistencia y menos dependiente de las características del transistor.
    • Los amplificadores de colector común tienen mucha retroalimentación negativa, debido a la colocación de la resistencia de carga entre el emisor y tierra. Esta retroalimentación explica la ganancia de voltaje extremadamente estable del amplificador, así como su inmunidad contra la fuga térmica.
    • La ganancia de voltaje para un circuito emisor común se puede restablecer sin sacrificar la inmunidad a la fuga térmica, conectando un condensador de derivación en paralelo con la “resistencia de retroalimentación” del emisor.
    • Si la ganancia de voltaje de un amplificador es arbitrariamente alta (decenas de miles, o mayor), y se usa retroalimentación negativa para reducir la ganancia a niveles razonables, se encontrará que la ganancia será aproximadamente igual a R retroalimentación /R in. Los cambios en los valores del transistor β u otros componentes internos tendrán poco efecto sobre la ganancia de voltaje con retroalimentación en la operación, lo que dará como resultado un amplificador que es estable y fácil de diseñar.

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