Electrónica Analógica I · 120 h · Eje 3 de 8

Amplificadores de señal débil

Un micrófono entrega 2 mV. Un parlante necesita varios volt. En el medio hay una cadena de amplificadores, y el primer eslabón es este: la etapa de pequeña señal, donde la señal es tan chica que el transistor se comporta de forma lineal.

Amplificadores Transistores Emisor común Colector común Darlington

01Continua y alterna al mismo tiempo

Un amplificador de señal débil hace dos cosas a la vez, y el secreto para entenderlo es separarlas:

En continua, el circuito polariza el transistor y lo deja en un punto Q estable, en el medio de la zona activa. Eso es lo que se calculó en Transistores bipolares.
En alterna, la señal de entrada hace oscilar al transistor alrededor de ese punto Q. La salida es una versión ampliada de esa oscilación.

Figura 1. La señal alterna no reemplaza a la continua: se monta sobre ella. El punto Q es el «nivel del mar» alrededor del cual oscila todo.

Teorema de superposición

Como el circuito es lineal alrededor del punto Q, se puede analizar por separado: primero el circuito de continua (con los capacitores como circuitos abiertos) y después el de alterna (con los capacitores como cortocircuitos y las fuentes de continua a masa). Después se suman los dos resultados. Sin esta separación el análisis es intratable.

02Los capacitores del amplificador

Un capacitor bloquea la continua y deja pasar la alterna, con una reactancia que baja al subir la frecuencia:

X_{C} = \frac{1}{2 π f C}

Regla práctica: un capacitor «es un cortocircuito» para la señal si su reactancia a la frecuencia más baja de trabajo es al menos 10 veces menor que la resistencia que acompaña.

C1 · acoplamiento de entrada

Deja entrar la señal pero impide que la fuente de señal altere la polarización de la base. Típico: 10 µF.

C2 · acoplamiento de salida

Entrega la señal a la carga sin pasarle la continua del colector. Típico: 10 µF.

C_E · derivación

En paralelo con R_E. Deja R_E para la continua (estabilidad) pero la anula para la alterna (ganancia). Típico: 100 µF.

El capacitor de derivación es el más interesante

R_E estabiliza el punto Q pero, si se la deja actuar también sobre la señal, la realimentación negativa reduce muchísimo la ganancia. C_E resuelve la contradicción: en continua R_E existe, en alterna desaparece. Un mismo componente cumpliendo dos funciones distintas según la frecuencia — es una de las ideas más elegantes de la electrónica analógica.

Polaridad

Los capacitores de acoplamiento suelen ser electrolíticos, que son polarizados. El terminal positivo va del lado donde la continua es más alta. En C1, el positivo mira hacia la base; en C2, hacia el colector; en C_E, hacia el emisor. Al revés se hinchan y explotan.

03La resistencia dinámica de emisor

Para la señal, la juntura base-emisor no es un componente pasivo: se comporta como una resistencia que depende de la corriente de reposo. Se la llama r_e (r chica de emisor) y es la constante que gobierna toda la ganancia.

r_{e} = \frac{26 mV}{I_{E}}

Con I_E en miliamperes, r_e sale en ohm. Los 26 mV vienen de la tensión térmica kT/q a 25 °C.

I_E	r_e	Consecuencia
0,5 mA	52 Ω	Poca ganancia, poco consumo, más ruido.
1 mA	26 Ω	Valor de compromiso habitual.
2,6 mA	10 Ω	Buena ganancia.
10 mA	2,6 Ω	Mucha ganancia, pero el transistor calienta y la impedancia de entrada baja.

Se ve enseguida que el punto Q no es una elección libre: fija la ganancia posible. Y como los 26 mV son en realidad kT/q, r_e cambia con la temperatura, y con ella la ganancia. Esa dependencia es una de las razones por las que los amplificadores modernos usan realimentación.

04Amplificador en emisor común

Es la configuración de referencia: entrada por la base, salida por el colector, emisor común a las dos mallas.

Figura 2. Emisor común completo. R1 y R2 polarizan, R_C convierte corriente en tensión, R_E estabiliza y C_E la anula para la señal.

Ganancia de tensión

A_{v} = - \frac{r_{c}}{r_{e}}, r_{c} = R_{C} ∥ R_{L}

El signo menos indica la inversión de fase: cuando la entrada sube, la salida baja. r_c es la resistencia de colector vista en alterna, es decir R_C en paralelo con la carga.

Ejemplo resuelto · Emisor común completo

V_CC = 12 V, R1 = 47 kΩ, R2 = 10 kΩ, R_C = 2,2 kΩ, R_E = 470 Ω con C_E, carga R_L = 10 kΩ.

Continua (calculada en el tema anterior): V_B = 2,11 V, V_E = 1,41 V, I_E = 3,0 mA, V_CE = 4,0 V. Punto Q correcto, en zona activa.

Alterna:

r_e = 26 mV / 3,0 mA = 8,7 Ω
r_c = 2,2 k ∥ 10 k = (2,2×10)/(2,2+10) = 1,80 kΩ
A_v = −1800 / 8,7 = −207

Una entrada de 5 mV de pico da 1,03 V de pico a la salida, invertida. Verificación de linealidad: la excursión de salida (1,03 V) debe entrar cómoda entre el punto Q (4,0 V) y los extremos: hacia abajo hay 4,0 − 0,2 = 3,8 V de margen, y hacia arriba 12 − 4,0 = 8 V. Entra sin recortarse.

Impedancias

Z_{i n} = R 1 ∥ R 2 ∥ (β \cdot r_{e})

Z_{o u t} \approx R_{C}

En el ejemplo, con β = 200: β·r_e = 1,74 kΩ, y Z_in = 47 k ∥ 10 k ∥ 1,74 k ≈ 1,4 kΩ. Baja, y es la principal debilidad del emisor común.

Qué pasa si se quita C_E

Sin capacitor de derivación, R_E también actúa sobre la señal y la ganancia cae a:

A_{v} = - \frac{r_{c}}{r_{e} + R_{E}}

En el ejemplo: −1800 / (8,7 + 470) = −3,8. La ganancia cayó 54 veces.

Parece un desastre, pero tiene una contrapartida enorme: como r_e (8,7 Ω) es despreciable frente a R_E (470 Ω), la ganancia pasa a valer prácticamente −R_C/R_E, es decir depende sólo de resistencias. Ya no depende de r_e, ni de la temperatura, ni de β. Se cambia ganancia por estabilidad y por menor distorsión. En la práctica se usa una solución intermedia: partir R_E en dos y puentear sólo una parte.

Configuración	Ganancia	Estabilidad	Distorsión
R_E totalmente puenteada	Muy alta (200)	Mala	Alta
R_E parcialmente puenteada	Media (20-40)	Buena	Baja
Sin C_E	Baja (4)	Excelente	Muy baja

05Colector común (seguidor de emisor)

La señal entra por la base y sale por el emisor. El colector va directo a V_CC, que para la alterna es masa — de ahí el nombre.

A_{v} = \frac{r_{E}}{r_{E} + r_{e}} \approx 1

Z_{i n} = R 1 ∥ R 2 ∥ β (r_{e} + r_{E})

Z_{o u t} \approx r_{e} + \frac{R_{S}}{β}

r_E es la resistencia total de emisor vista en alterna (R_E ∥ R_L), y R_S la resistencia de la fuente de señal.

La ganancia de tensión es menos que 1 (típicamente 0,98). Suena inútil, pero no lo es: lo que este circuito hace es adaptar impedancias.

Lo que aporta

Z_in muy alta (decenas o cientos de kΩ): no carga a la etapa anterior.
Z_out muy baja (unos pocos ohm): puede manejar cargas exigentes.
Ganancia de corriente alta (β).
No invierte la fase.

Dónde se usa

Como etapa de salida antes de un parlante o un cable largo.
Como buffer entre una fuente de alta impedancia (un micrófono piezoeléctrico, una sonda) y un amplificador de baja Z_in.
En la fuente regulada con Zener, que es exactamente este circuito.

Por qué importa adaptar impedancias

Si un micrófono de 50 kΩ de impedancia interna se conecta a un emisor común de 1,4 kΩ de Z_in, el divisor formado entre ambos se come el 97 % de la señal antes de que llegue al transistor. Poniendo un seguidor de emisor adelante (Z_in = 200 kΩ) llega el 80 %. La ganancia total del conjunto sube muchísimo aunque el seguidor «no amplifique».

06Base común

La tercera configuración: entrada por el emisor, salida por el colector, base a masa para la señal. Se ve poco en 4° año pero conviene tenerla en el cuadro comparativo.

Z_in muy baja (r_e, es decir unos pocos ohm).
Ganancia de tensión alta, igual que el emisor común, y sin inversión.
Ganancia de corriente ≈ 1 (es α).
Excelente respuesta en alta frecuencia, porque no sufre el efecto Miller.

Por esa última propiedad se la usa en amplificadores de radiofrecuencia y en la entrada de instrumentos de banda ancha — tema de Telecomunicaciones, en 6° año.

Configuración	A_v	A_i	Z_in	Z_out	Fase	Uso principal
Emisor común	Alta	Alta (β)	Media	Alta	180°	Amplificación de tensión
Colector común	≈ 1	Alta (β)	Muy alta	Muy baja	0°	Adaptación de impedancia, salida
Base común	Alta	≈ 1 (α)	Muy baja	Alta	0°	Alta frecuencia, RF

07Conexión Darlington

Dos transistores conectados de modo que el emisor del primero alimenta la base del segundo. El conjunto se comporta como un único transistor con una ganancia igual al producto de las dos. La publicación interactiva de transistores tiene una solapa dedicada.

Figura 3. Conexión Darlington. Viene ya integrada en encapsulados como el TIP120 (NPN) y el TIP125 (PNP), con las resistencias de fuga incluidas.

β_{T} = β_{1} \cdot β_{2}

Con β1 = β2 = 100, β_T = 10.000: 10 µA de base controlan 100 mA de colector.

Ventajas

Ganancia enorme: se maneja una carga grande con una corriente de base mínima.
Impedancia de entrada altísima (β_T·r_e).
Permite excitar relés y motores directamente desde un microcontrolador.

Desventajas

Caída de 1,4 V entre base y emisor (dos junturas).
V_CE(sat) de 0,9 a 1,2 V: disipa bastante más que un transistor simple.
Más lento al apagar (la carga almacenada tarda en evacuarse).
La corriente de fuga del primero es amplificada por el segundo: peor deriva térmica.

08Acoplamiento entre etapas

Una sola etapa rara vez alcanza. Se encadenan varias, y la ganancia total es el producto de las ganancias individuales (o la suma en decibeles).

A_{T} = A_{1} \cdot A_{2} \cdot A_{3} \dots

A_{d B} = 20 \cdot \log (A_{v})

Una ganancia de 200 son 46 dB. Dos etapas iguales dan 92 dB, es decir 40.000 veces.

Hay un detalle que los cálculos escolares suelen ignorar: la Z_in de la segunda etapa carga a la primera. Es decir, para calcular la ganancia de la etapa 1 hay que usar r_c = R_C1 ∥ Z_in2, no R_C1 sola. Si se olvida, el cálculo da una ganancia mucho mayor que la medida.

Acoplamiento	Cómo	Ventaja	Desventaja
Capacitivo (RC)	Capacitor entre etapas	Simple, barato, aísla las polarizaciones	No pasa continua ni frecuencias muy bajas
Directo	Colector de una a la base de la otra	Responde desde 0 Hz	Las derivas de continua se amplifican en cascada
Por transformador	Bobinado entre etapas	Adapta impedancias, aísla galvánicamente	Caro, pesado, ancho de banda limitado

09En el laboratorio

Práctica 1 · Emisor común, medición de ganancia

Armar el circuito del ejemplo (12 V, 47 k / 10 k / 2,2 k / 470 Ω, C1 = C2 = 10 µF, C_E = 100 µF). Pasos:

Sin señal, medir V_B, V_E y V_C. Comparar con lo calculado. Si no coinciden, el problema es de continua y no tiene sentido seguir.
Inyectar 10 mV pico a pico a 1 kHz con el generador de funciones.
Con el osciloscopio en dos canales, ver entrada y salida a la vez: debe verse la inversión de fase.
Medir las dos amplitudes y calcular A_v = v_out/v_in.
Subir la entrada hasta que la salida se recorte. Anotar en qué amplitud ocurre y de qué lado recorta primero: eso indica hacia dónde está descentrado el punto Q.

Práctica 2 · El papel de C_E

Sobre el mismo circuito, desconectar C_E y volver a medir la ganancia. Debe caer de unas 200 veces a unas 4. Verificar además que la señal de salida se ve más limpia (menos distorsión) sin el capacitor. Es la demostración práctica del compromiso entre ganancia y linealidad.

Práctica 3 · Seguidor de emisor como adaptador

Conectar el generador de funciones a través de una resistencia de 100 kΩ en serie (simula una fuente de alta impedancia) directamente al emisor común: la señal casi desaparece. Intercalar un seguidor de emisor entre ambos y volver a medir: la señal se recupera. La práctica demuestra que un circuito con ganancia menor a 1 puede aumentar la ganancia total del sistema.

Práctica 4 · Respuesta en frecuencia

Con amplitud de entrada constante, barrer la frecuencia de 10 Hz a 1 MHz y anotar la amplitud de salida. Graficar en escala logarítmica. Aparecen las dos frecuencias de corte: la inferior la fijan los capacitores de acoplamiento y derivación, y la superior las capacidades parásitas del transistor. El ancho de banda es la distancia entre ambas.

10Errores frecuentes

Síntoma	Causa habitual
No hay señal a la salida, pero la continua está bien	Capacitor de acoplamiento abierto, invertido o de valor demasiado chico para esa frecuencia.
La salida se recorta sólo arriba (o sólo abajo)	Punto Q descentrado. Recorta primero del lado que tiene menos margen.
La ganancia medida es mucho menor que la calculada	Se olvidó incluir la carga (o la Z_in de la etapa siguiente) en el cálculo de r_c. O C_E está mal conectado.
La ganancia es muchísimo menor (unas 4 veces)	C_E abierto, o falta. R_E está actuando sobre la señal.
El amplificador oscila o «chifla»	Realimentación por la fuente de alimentación. Falta desacople (100 nF + 100 µF junto a la etapa) o los cables de entrada y salida están juntos.
Zumbido de 50 Hz	Masa mal hecha (bucles de masa) o entrada sin blindar. La entrada de alta impedancia capta la red.
Distorsión audible aunque la salida no parezca recortada	Señal de entrada demasiado grande: se está saliendo del rango de pequeña señal (v_in debe ser mucho menor que r_e·I_E).

11Autoevaluación

¿Por qué se puede analizar por separado la continua y la alterna?

Por el teorema de superposición: alrededor del punto Q el circuito se comporta de forma lineal, así que la respuesta total es la suma de la respuesta a la continua (con capacitores abiertos) y la respuesta a la alterna (con capacitores en corto y fuentes de continua a masa).

Un amplificador tiene I_E = 2 mA. ¿Cuánto vale r_e?

r_e = 26 mV / 2 mA = 13 Ω.

¿Para qué sirve exactamente el capacitor C_E?

Para que R_E exista en continua (estabilizando el punto Q) pero desaparezca en alterna (recuperando toda la ganancia). Sin él la ganancia cae al orden de R_C/R_E.

¿Por qué el emisor común invierte la fase?

Porque V_C = V_CC − I_C·R_C. Si la señal de entrada hace subir I_C, la caída en R_C aumenta y la tensión de colector baja. Entrada arriba, salida abajo: 180° de desfasaje.

Un seguidor de emisor tiene ganancia 0,98. ¿Para qué sirve entonces?

Para adaptar impedancias: presenta una entrada de alta impedancia (no carga a la fuente de señal) y una salida de baja impedancia (puede manejar cargas exigentes). Su ganancia de corriente es β, así que sí amplifica potencia.

Con R_C = 4,7 kΩ, R_L = 4,7 kΩ e I_E = 1 mA, ¿cuál es la ganancia?

r_e = 26 Ω. r_c = 4,7 k ∥ 4,7 k = 2,35 kΩ. A_v = −2350 / 26 = −90. Notar que la carga bajó la ganancia a la mitad respecto de no tenerla.

¿Cuál es el precio de la enorme ganancia del Darlington?

Una caída base-emisor de 1,4 V (dos junturas), una V_CE(sat) de casi 1 V que hace que disipe más calor al conmutar, menor velocidad de apagado y peor comportamiento térmico, porque las fugas del primer transistor son amplificadas por el segundo.

Tres etapas de ganancia 20 cada una. ¿Ganancia total en veces y en dB?

20 × 20 × 20 = 8000 veces. En decibeles: 20·log(20) = 26 dB por etapa, 78 dB en total. Verificación: 20·log(8000) = 78 dB.

¿Qué limita la frecuencia inferior de trabajo de un amplificador con acoplamiento RC?

Los capacitores: al bajar la frecuencia sube X_C y dejan de comportarse como cortocircuitos. El que más suele limitar es C_E, porque trabaja contra una resistencia muy chica (r_e) y necesita un valor grande.

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