Impedancia de entrada de un amplificador y cómo calcularlo

Impedancia de entrada de un amplificador


La impedancia de entrada de un amplificador define sus características de entrada con respecto a la corriente y la tensión que buscan en los terminales de entrada de un amplificador

La impedancia de entrada , Z IN o la resistencia de entrada como se denomina a menudo, es un parámetro importante en el diseño de un amplificador transistor y permite caracterizar los amplificadores de acuerdo con sus impedancias de entrada y salida efectivas, así como sus potencias y clasificaciones de corriente.

El valor de la impedancia de un amplificador es particularmente importante para el análisis, especialmente cuando se conectan etapas de amplificación individuales en cascada una detrás de otra para minimizar la distorsión de la señal.

La impedancia de entrada de un amplificador es la impedancia de entrada "vista" por la fuente que conduce la entrada del amplificador. Si es demasiado bajo, puede tener un efecto de carga adverso en la etapa anterior y posiblemente afectar la respuesta de frecuencia y el nivel de señal de salida de esa etapa. Pero en la mayoría de las aplicaciones, el emisor común y los circuitos amplificadores de colector comunes generalmente tienen altas impedancias de entrada.

Algunos tipos de diseños de amplificadores, como el circuito amplificador de colector común, tienen automáticamente una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida por la naturaleza misma de su diseño. Los amplificadores pueden tener alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida y virtualmente cualquier ganancia arbitraria, pero si la impedancia de entrada de los amplificadores es inferior a la deseada, la impedancia de salida de la etapa anterior puede ajustarse para compensar o si esto no es posible, entonces etapas de amplificador de buffer puede ser necesario.

Además de la amplificación de voltaje (  Av  ), un circuito amplificador también debe tener amplificación de corriente (  Ai  ). La amplificación de potencia (  Ap  ) también se puede esperar de un circuito amplificador. Pero además de tener estas tres características importantes, un circuito amplificador también debe tener otras características como alta impedancia de entrada (  Z IN  ), baja impedancia de salida (  Z OUT  ) y cierto grado de ancho de banda (  Bw  ). De cualquier forma, el amplificador "perfecto" tendrá una impedancia de entrada infinita y una impedancia de salida cero.

Impedancia de entrada y salida


En muchos sentidos, un amplificador puede considerarse como un tipo de "caja negra" que tiene dos terminales de entrada y dos terminales de salida, como se muestra. Esta idea proporciona un modelo simple de parámetro h del transistor que podemos usar para encontrar el punto de ajuste de CC y los parámetros de operación de un amplificador. En realidad, uno de los terminales es común entre la entrada y la salida que representan tierra o cero voltios.

Al mirar desde afuera, estos terminales tienen una impedancia de entrada, Z IN y una impedancia de salida, Z OUT . La impedancia de entrada y salida de un amplificador es la relación de voltaje a la corriente que entra o sale de estos terminales. La impedancia de entrada puede depender del suministro de la fuente que alimenta el amplificador, mientras que la impedancia de salida también puede variar de acuerdo con la impedancia de carga, R L a través de los terminales de salida.

Las señales de entrada que se amplifican suelen ser corrientes alternas (CA) con el circuito amplificador representando una carga, Z a la fuente. La impedancia de entrada de un amplificador puede ser de decenas de ohmios (ohmios Ω ) a unos pocos miles de ohmios (kiloohmios kΩ ) para circuitos de transistores basados ​​en bipolares de hasta millones de ohmios (megaohmios MΩ ) para circuitos de transistores basados ​​en FET .

Cuando una fuente de señal y carga están conectadas a un amplificador, las propiedades eléctricas correspondientes del circuito amplificador se pueden modelar como se muestra.

Modelo de impedancia de salida y entrada



Donde, V S es el voltaje de señal, R S es la resistencia interna de la fuente de señal, y R L es la resistencia de carga conectada a través de la salida. Podemos ampliar esta idea aún más al observar cómo el amplificador está conectado a la fuente y a la carga.

Cuando un amplificador está conectado a una fuente de señal, la fuente "ve" la impedancia de entrada, Zin del amplificador como una carga. Del mismo modo, el voltaje de entrada, Vin es lo que el amplificador ve a través de la impedancia de entrada, Zin . Entonces, la entrada de los amplificadores se puede modelar como un circuito divisor de voltaje simple como se muestra.

Modelo de circuito de entrada de amplificador


La misma idea se aplica a la impedancia de salida del amplificador. Cuando una resistencia de carga, R L se conecta a la salida del amplificador, el amplificador se convierte en la fuente que alimenta la carga. Por lo tanto, el voltaje y la impedancia de salida se convierten automáticamente en la tensión de la fuente y la impedancia de la fuente para la carga, como se muestra.

Modelo de circuito de salida del amplificador


Entonces podemos ver que las características de entrada y salida de un amplificador se pueden modelar como una red divisoria de voltaje simple. El amplificador mismo se puede conectar en Common Emitter (emisor conectado a tierra), Common Collector (seguidor de emisor) o en configuraciones Common Base . En este tutorial veremos el transistor bipolar conectado en una configuración de emisor común vista anteriormente.

Amplificador Emisor Común


La denominada configuración de emisor común clásica usa una red divisora ​​potencial para polarizar la base de transistores. La fuente de alimentación Vcc y las resistencias de polarización establecen el punto de operación del transistor para conducir en el modo de avance activo. Sin flujo de corriente de señal en la Base, no fluye corriente de Colector, (transistor en corte) y la tensión en el Colector es la misma que la tensión de alimentación, Vcc . Una corriente de señal en la Base hace que fluya una corriente en la resistencia del Colector, generando Rc una caída de voltaje a través de la misma que hace que la tensión del Colector caiga.

Entonces, la dirección de cambio del voltaje del Colector es opuesta a la dirección de cambio en la Base, en otras palabras, la polaridad se invierte. Por lo tanto, la configuración del emisor común produce una amplificación de voltaje grande y un nivel de tensión CC bien definido al tomar la tensión de salida del colector como se muestra con la resistencia R L que representa la carga a través de la salida.

Amplificador Emisor Común de Etapa Simple


Esperemos que ahora podamos calcular los valores de las resistencias requeridas para que el transistor opere en el medio de su región activa lineal, llamada punto de reposo o punto Q, pero un repaso rápido nos ayudará a entender mejor cómo fueron los valores de los amplificadores. obtenido para que podamos usar el circuito anterior para encontrar la impedancia de entrada del amplificador.

Primero, comencemos por hacer algunas suposiciones simples sobre el circuito amplificador de emisor común de una etapa anterior para definir el punto de operación del transistor. La caída de tensión en la resistencia del emisor, V RE  = 1.5V , la corriente de reposo, I Q  = 1mA , la ganancia de corriente (Beta) del transistor NPN es 100 (  β = 100  ), y la frecuencia de esquina o punto de corte del el amplificador se da como: ƒ -3dB  = 40Hz .

Como la corriente de reposo sin señal de entrada fluye a través del Colector y el Emisor del transistor, entonces podemos decir que: I C  = I E  = I Q  = 1mA . Entonces al usar la Ley de Ohms:

Con el transistor encendido por completo (saturación), la caída de tensión en la resistencia del colector, Rc será la mitad de Vcc - V RE para permitir el máximo swing de señal de salida de pico a pico alrededor del punto central sin recorte de la salida señal.

Tenga en cuenta que la ganancia de voltaje sin señal de corriente continua del amplificador se puede encontrar desde -R C / R E . Observe también que la ganancia de voltaje es de valor negativo debido al hecho de que la señal de salida se ha invertido con respecto a la señal de entrada original.

Como el transistor NPN está polarizado, la unión Base-Emisor actúa como un diodo polarizado, por lo que la Base será 0.7 voltios más positiva que el voltaje del Emisor (Ve + 0.7V), por lo tanto el voltaje en la resistencia R2 será:

Si las dos resistencias de polarización ya están dadas, también podemos usar la siguiente fórmula de divisor de voltaje estándar para encontrar la tensión de base Vb en R2 .

La información dada indicó que la corriente de reposo es de 1 mA. Por lo tanto, el transistor está polarizado con una corriente de colector de 1 mA a través del suministro de 12 voltios, Vcc . Esta corriente de colector es proporcional a la corriente de base como Ic = β * Ib . La ganancia de corriente CC, Beta (  β  ) del transistor se dio como 100, luego la corriente de Base que fluye al transistor será:

El circuito de polarización de CC formado por la red del divisor de tensión de R1 y R2 establece el punto de funcionamiento de CC. El voltaje de la Base se calculó previamente a 2,2 voltios, luego tenemos que establecer la relación adecuada de R1 a R2 para producir este valor de voltaje en el suministro de 12 voltios, Vcc .

Generalmente, para una red de polarización de CC del divisor de voltaje estándar de un circuito amplificador de emisor común, la corriente que fluye a través de la resistencia inferior, R2 es diez veces mayor que la corriente de CC que fluye hacia la Base. Entonces el valor de la resistencia, R2 se puede calcular como:

La tensión caída a través de la resistencia R1 será la tensión de alimentación menos la tensión de polarización de la base. Además, si la resistencia R2 lleva 10 veces la corriente de base, la resistencia superior R1 de la cadena de la serie debe pasar la corriente de R2 más la corriente de base real de los transistores, Ib . En otras palabras, 11 veces la corriente de base como se muestra.

Para un amplificador de emisor común, la reactancia Xc del condensador de derivación del emisor suele ser un décimo (1/10) del valor de la resistencia del emisor, R E en el punto de frecuencia de corte. Las especificaciones de los amplificadores dieron una frecuencia de esquina de -3dB de 40Hz, luego el valor del condensador C E se calcula como:

Ahora tenemos los valores establecidos para nuestro circuito amplificador de emisor común anterior, ahora podemos ver el cálculo de su impedancia de entrada y salida del amplificador, así como los valores de los condensadores de acoplamiento C1 y C2 .

Modelo básico de amplificador de emisor


La fórmula generalizada para la impedancia de entrada de cualquier circuito es Z IN  = V IN / I IN . El circuito de polarización de CC establece el punto "Q" de funcionamiento de CC del transistor y como el condensador de entrada, C1 actúa como un circuito abierto y bloquea cualquier voltaje de CC, a CC (0 Hz) la impedancia de entrada ( Z IN ) del circuito será extremadamente alto. Sin embargo, cuando se aplica una señal de CA a la entrada, las características del circuito cambian ya que los condensadores actúan como cortocircuitos a altas frecuencias y pasan señales de CA.

La fórmula generalizada para la impedancia de entrada de CA de un amplificador que mira hacia la Base se da como Z IN  = R EQ || β (R E + re) . Donde R EQ es la resistencia equivalente a tierra (0v) de la red de polarización a través de la Base, y re es la resistencia de señal interna de la capa Emisora ​​polarizada hacia adelante. Luego, si cortocircuitamos la fuente de alimentación de 12 voltios, Vcc a tierra porque Vcc aparece como un cortocircuito a las señales de CA, podemos redibujar el circuito del emisor común como se muestra a continuación:

Modelo de circuito amplificador


Entonces podemos ver que con la tensión de alimentación en cortocircuito, hay una serie de resistencias conectadas en paralelo a través del transistor. Tomando el lado de entrada del amplificador de transistor solamente y tratando el condensador C1 como un cortocircuito a las señales de CA, podemos redibujar el circuito anterior para definir la impedancia de entrada del amplificador como:

Impedancia de entrada del amplificador


Dijimos en el anterior Común emisor Amplificador tutorial que la resistencia de la señal interna de la capa de emisor era igual al producto de 25mV ÷ Ie con este 25mV valor siendo la caída interna voltios y I E  = I Q . Entonces, para nuestro circuito amplificador por encima de la resistencia equivalente AC valor nuevo del diodo emisor se da como:

Resistencia de la señal de la pierna del emisor


Donde re representa una pequeña resistencia interna en serie con el Emisor. Como Ic / Ib = β , entonces el valor de la impedancia base de los transistores será igual a β * re . Tenga en cuenta que si el condensador de derivación C E no se incluye dentro del diseño de los amplificadores, entonces el valor se convierte en: β (R E + re) aumentando significativamente la impedancia de entrada del amplificador.

En nuestro condensador de derivación de ejemplo, C E está incluido, por lo tanto, la impedancia de entrada, Z IN del amplificador Emisor común es la impedancia de entrada "vista" por la fuente de CA que impulsa el amplificador y se calcula como:

Ecuación de impedancia de entrada


Esta 2.2kΩ es la impedancia de entrada que mira al terminal de entrada del amplificador. Si se conoce el valor de impedancia de la señal fuente, y en nuestro ejemplo simple anterior se da como 1kΩ , entonces este valor se puede sumar o sumar con Z IN si es necesario.

Pero supongamos por un minuto que nuestro circuito no tiene condensador de derivación, C E conectado. Cuál sería la impedancia de entrada del amplificador sin él. La ecuación seguiría siendo la misma excepto por la adición de R E en la parte β (R E + re) de la ecuación, ya que la resistencia ya no estará en cortocircuito a altas frecuencias. Entonces la impedancia de entrada sin puentear de nuestro circuito amplificador sin C E será:

Impedancia de entrada sin condensador de derivación


Entonces podemos ver que la inclusión del condensador de derivación de la pierna del emisor hace una gran diferencia en la impedancia de entrada del circuito cuando la impedancia baja de 15.8kΩ sin ella a 2.2kΩ con ella en nuestro circuito de ejemplo. Veremos más adelante que la adición de este condensador de derivación, C E también aumenta la ganancia de los amplificadores.

En nuestros cálculos para encontrar la impedancia de entrada del amplificador, hemos supuesto que los condensadores en el circuito tienen una impedancia cero ( Xc = 0 ) para las corrientes de señal de CA, así como una impedancia infinita ( Xc = ∞ ) para las corrientes de polarización de CC. Ahora que conocemos la impedancia de entrada anulada del circuito amplificador, podemos utilizar este valor de 2.2 kΩ para encontrar el valor del condensador de acoplamiento de entrada, C1 requerido en el punto de frecuencia de corte especificado que se proporcionó previamente como 40Hz. Por lo tanto:

Ecuación del capacitor de acoplamiento de entrada


Ahora que tenemos un valor para la impedancia de entrada de nuestro circuito amplificador Emisor común de una etapa anterior, también podemos obtener una expresión de la impedancia de salida del amplificador de manera similar.

Impedancia de salida de un amplificador


La impedancia de salida de un amplificador puede considerarse como la impedancia (o resistencia) que la carga ve "mirando hacia atrás" hacia el amplificador cuando la entrada es cero. Trabajando en el mismo principio como lo hicimos para la impedancia de entrada, la fórmula generalizada para la impedancia de salida se puede dar como: Z OUT  = V CE / I C .

Pero la corriente de señal que fluye en la resistencia del colector, R C también fluye en la resistencia de carga, R L ya que los dos están conectados en serie a través de Vcc . Por otra parte, tomando el lado de salida del amplificador de transistor solamente y tratando el condensador de acoplamiento de salida C2 como un cortocircuito a las señales de CA, podemos redibujar el circuito anterior para definir la impedancia de salida del amplificador como:

Impedancia de salida del amplificador


Entonces, podemos ver que la resistencia de la señal de salida es igual a R C en paralelo con R L, lo que nos da una resistencia de salida de:

Ecuación de impedancia de salida


Tenga en cuenta que este valor de 833Ω resulta del hecho de que la resistencia de carga está conectada a través del transistor. Si se omite R L , entonces la impedancia de salida del amplificador sería igual a la resistencia del colector, solo R C.

Ahora que tenemos un valor para la impedancia de salida de nuestro circuito amplificador anterior, podemos calcular el valor del condensador de acoplamiento de salida, C2 como antes en el punto de frecuencia de corte de 40Hz.

Ecuación del capacitor de acoplamiento de salida


Una vez más el valor del condensador de acoplamiento C2 se puede calcular ya sea con o sin la inclusión de la resistencia de carga R L .

Ganancia de voltaje común del emisor


La ganancia de voltaje de un circuito emisor común se da como Av = R OUT / R EMITTER donde R OUT representa la impedancia de salida como se ve en el tramo Colector y R EMISOR es igual a la resistencia equivalente en el tramo del emisor con o sin derivación condensador conectado.

Sin el condensador de derivación C E conectado, ( R E + re ).

y con el condensador de derivación C E conectado, ( re ) solamente.

Entonces podemos ver que la inclusión del condensador de derivación dentro del diseño del amplificador hace un cambio dramático en la ganancia de voltaje, Av de nuestro circuito emisor común de 0.5 a 33. También muestra que la ganancia común del emisor no va al infinito cuando el La resistencia del emisor externo está en cortocircuito por el condensador de derivación a altas frecuencias, pero en cambio la ganancia va al valor finito de R OUT / re .

También hemos visto que a medida que la ganancia aumenta, la impedancia de entrada baja de 15.8kΩ sin ella a 2.2kΩ . El aumento en la ganancia de voltaje puede considerarse una ventaja en la mayoría de los circuitos amplificadores a expensas de una menor impedancia de entrada.

Resumen de impedancia de entrada


En este tutorial, hemos visto que la impedancia de entrada de un amplificador de emisor común se puede encontrar cortando la tensión de alimentación y tratando el circuito de polarización del divisor de tensión como resistencias en paralelo. La impedancia "vista" que mira dentro de la red divisora ​​( R1 || R2 ) es generalmente mucho menor que la impedancia que mira directamente a la base de los transistores, β (R E + re) cuando la señal de entrada CA cambia el sesgo en la Base del transistor que controla el flujo de corriente a través del transistor.

Hay muchas formas de polarizar el transistor. Por lo tanto, hay muchos circuitos amplificadores de un solo transistor prácticos, cada uno con sus propias ecuaciones y valores de impedancia de entrada. Si necesita la impedancia de entrada de toda la etapa más la impedancia de la fuente, necesitará considerar Rs en serie con las resistencias de polarización base, ( Rs + R1 || R2 ).

La impedancia de salida de una etapa de emisor común es simplemente igual a la resistencia de colector en paralelo con la resistencia de carga ( R C || R L ) si está conectado de otro modo su justo R C . La ganancia de voltaje, Av del amplificador depende de R C / R E .

El capacitor de derivación del emisor, C E puede proporcionar una ruta de tierra de CA para el emisor, cortocircuitando la resistencia del emisor, R E dejando solo la señal de resistencia del emisor, re en la pata del emisor. El efecto de esto es un aumento en la ganancia del amplificador (de 0.5 a 33) a altas frecuencias, pero también una disminución en el valor de impedancia de entrada del amplificador, (de 18.5kΩ a 2.2kΩ).

Con este condensador de derivación eliminado, la ganancia de voltaje de los amplificadores, Av disminuye y Z IN aumenta. Una forma de mantener una cantidad fija de ganancia e impedancia de entrada es incluir una resistencia adicional en serie con C E para crear lo que se denomina un circuito amplificador de "emisor dividido" que es una compensación entre un amplificador sin puentear y un puente completamente anulado. circuito. Tenga en cuenta que la adición o eliminación de este condensador de derivación no tiene ningún efecto sobre la impedancia de salida del amplificador.

Entonces podemos ver que las impedancias de entrada y salida de un amplificador pueden jugar un papel importante en la definición de las características de transferencia de un amplificador con respecto a la relación entre la corriente de salida, Ic y la corriente de entrada, Ib . Conocer la impedancia de entrada de un amplificador puede ayudar a construir gráficamente un conjunto de curvas de características de salida para el amplificador.


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