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8.2: Amplificadores de un solo extremo y diferenciales

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    Para facilitar la elaboración de diagramas de circuitos complejos, los amplificadores electrónicos a menudo están simbolizados por una simple forma de triángulo, donde los componentes internos no están representados individualmente. Esta simbología es muy útil para los casos en los que la construcción de un amplificador es irrelevante para la mayor función del circuito general, y es digna de familiarización:

    03022.png

    Las conexiones +V y -V denotan los lados positivo y negativo de la fuente de alimentación de CC, respectivamente. Las conexiones de voltaje de entrada y salida se muestran como conductores individuales, ya que se supone que todos los voltajes de señal están referenciados a una conexión común en el circuito llamada tierra. A menudo (¡pero no siempre!) , un polo de la fuente de alimentación de CC, ya sea positivo o negativo, es ese punto de referencia de tierra. Un práctico circuito amplificador (que muestra la fuente de voltaje de entrada, la resistencia de carga y la fuente de alimentación) podría verse así:

    03023.png

    Sin tener que analizar el diseño real del transistor del amplificador, puede discernir fácilmente la función de todo el circuito: tomar una señal de entrada (V in), amplificarla y accionar una resistencia de carga (carga R). Para completar el esquema anterior, sería bueno especificar las ganancias de ese amplificador (A V, A I, A P) y el punto Q (sesgo) para cualquier análisis matemático necesario.

    Si es necesario que un amplificador pueda emitir voltaje de CA verdadero (polaridad inversa) a la carga, se puede usar una fuente de alimentación de CC dividida, por lo que el punto de tierra se “centra” eléctricamente entre +V y -V. A veces, la configuración de la fuente de alimentación dividida se conoce como una fuente de alimentación dual.

    03024.png

    El amplificador todavía se está suministrando con 30 voltios en general, pero con la fuente de alimentación de CC de voltaje dividido, el voltaje de salida a través de la resistencia de carga ahora puede oscilar de un máximo teórico de +15 voltios a -15 voltios, en lugar de +30 voltios a 0 voltios. Esta es una manera fácil de obtener una verdadera salida de corriente alterna (CA) de un amplificador sin recurrir al acoplamiento capacitivo o inductivo (transformador) en la salida. La amplitud pico a pico de la salida de este amplificador entre el corte y la saturación permanece sin cambios.

    Al significar un amplificador de transistor dentro de un circuito más grande con un símbolo de triángulo, facilitamos la tarea de estudiar y analizar amplificadores y circuitos más complejos. Uno de estos tipos de amplificadores más complejos que vamos a estudiar se llama el amplificador diferencial. A diferencia de los amplificadores normales, que amplifican una sola señal de entrada (a menudo llamados amplificadores de extremo único), los amplificadores diferenciales amplifican la diferencia de voltaje entre dos señales de entrada. Usando el símbolo de amplificador triangular simplificado, un amplificador diferencial se ve así:

    03025.png

    Los dos cables de entrada se pueden ver en el lado izquierdo del símbolo del amplificador triangular, el cable de salida en el lado derecho y los cables de fuente de alimentación +V y -V en la parte superior e inferior. Al igual que con el otro ejemplo, todos los voltajes están referenciados al punto de tierra del circuito. Observe que un lead de entrada está marcado con un (-) y el otro está marcado con un (+). Debido a que un amplificador diferencial amplifica la diferencia de voltaje entre las dos entradas, cada entrada influye en el voltaje de salida de maneras opuestas. Considere la siguiente tabla de voltajes de entrada/salida para un amplificador diferencial con una ganancia de voltaje de 4:

    13002.png

    Un voltaje cada vez más positivo en la entrada (+) tiende a impulsar el voltaje de salida más positivo, y un voltaje cada vez más positivo en la entrada (-) tiende a impulsar el voltaje de salida más negativo. Asimismo, un voltaje cada vez más negativo en la entrada (+) tiende a impulsar la salida negativa también, y un voltaje cada vez más negativo en la entrada (-) hace exactamente lo contrario. Debido a esta relación entre las entradas y las polaridades, la entrada (-) se conoce comúnmente como la entrada inversora y la (+) como la entrada no inversora. Puede ser útil pensar en un amplificador diferencial como una fuente de voltaje variable controlada por un voltímetro sensible, como tal:

    03231.png

    Tenga en cuenta que la ilustración anterior es solo un modelo para ayudar a comprender el comportamiento de un amplificador diferencial. No es un esquema realista de su diseño real. El símbolo “G” representa un galvanómetro, un movimiento sensible del voltímetro. El potenciómetro conectado entre +V y -V proporciona un voltaje variable en el pin de salida (con referencia a un lado de la fuente de alimentación de CC), ese voltaje variable establecido por la lectura del galvanómetro. Debe entenderse que cualquier carga alimentada por la salida de un amplificador diferencial obtiene su corriente de la fuente de alimentación de CC (batería), no de la señal de entrada. La señal de entrada (al galvanómetro) simplemente controla la salida. Este concepto puede ser confuso al principio para los estudiantes nuevos en los amplificadores. Con todas estas polaridades y marcas de polaridad (- y +) alrededor, es fácil confundirse y no saber cuál será la salida de un amplificador diferencial. Para abordar esta posible confusión, aquí hay una regla simple para recordar:

    03026.png

    Cuando la polaridad del voltaje diferencial coincide con las marcas para entradas inversoras y no inversoras, la salida será positiva. Cuando la polaridad del voltaje diferencial choca con las marcas de entrada, la salida será negativa. Esto tiene cierta similitud con el signo matemático que muestran los voltímetros digitales basados en la polaridad del voltaje de entrada. El cable de prueba rojo del voltímetro (a menudo llamado el cable “positivo” debido a la asociación popular del color rojo con el lado positivo de una fuente de alimentación en el cableado electrónico) es más positivo que el negro, el medidor mostrará una cifra de voltaje positivo, y viceversa:

    03027.png

    Así como un voltímetro solo mostrará el voltaje entre sus dos cables de prueba, un amplificador diferencial ideal solo amplifica la diferencia de potencial entre sus dos conexiones de entrada, no el voltaje entre cualquiera de esas conexiones y tierra. La polaridad de salida de un amplificador diferencial, al igual que la indicación firmada de un voltímetro digital, depende de las polaridades relativas de la tensión diferencial entre las dos conexiones de entrada.

    Si los voltajes de entrada a este amplificador representaban cantidades matemáticas (como es el caso dentro de los circuitos analógicos de la computadora), o mediciones de proceso físico (como es el caso dentro de los circuitos de instrumentación electrónica analógica), se puede ver cómo un dispositivo como un amplificador diferencial podría ser muy útil. Podríamos usarlo para comparar dos cantidades para ver cuál es mayor (por la polaridad de la tensión de salida), o quizás podríamos comparar la diferencia entre dos cantidades (como el nivel de líquido en dos tanques) y marcar una alarma (basada en el valor absoluto de la salida del amplificador) si la diferencia se convirtiera demasiado grande. En los circuitos básicos de control automático, la cantidad que se controla (llamada variable de proceso) se compara con un valor objetivo (llamado punto de ajuste), y se toman decisiones sobre cómo actuar en función de la discrepancia entre estos dos valores. El primer paso para controlar electrónicamente dicho esquema es amplificar la diferencia entre la variable de proceso y el punto de ajuste con un amplificador diferencial. En diseños simples de controladores, la salida de este amplificador diferencial se puede utilizar directamente para accionar el elemento de control final (como una válvula) y mantener el proceso razonablemente cerca del punto de ajuste.

    Revisar

    • Un símbolo de “taquigrafía” para un amplificador electrónico es un triángulo, el extremo ancho significa el lado de entrada y el extremo estrecho significa la salida. Las líneas de suministro de energía a menudo se omiten en el dibujo por simplicidad.
    • Para facilitar la verdadera salida de CA de un amplificador, podemos usar lo que se llama una fuente de alimentación dividida o dual, con dos fuentes de voltaje CC conectadas en serie con el punto medio conectado a tierra, dando un voltaje positivo a tierra (+V) y un voltaje negativo a tierra (-V). Las fuentes de alimentación divididas como esta se utilizan frecuentemente en circuitos amplificadores diferenciales.
    • La mayoría de los amplificadores tienen una entrada y una salida. Los amplificadores diferenciales tienen dos entradas y una salida, siendo la señal de salida proporcional a la diferencia de señales entre las dos entradas.
    • La salida de voltaje de un amplificador diferencial está determinada por la siguiente ecuación: V out = A V (V noninv - V inv)

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