Amplificadores multietapa
Tres etapas iguales de 1 MHz no forman un amplificador de 1 MHz: la cascada corta a 510 kHz. Cada etapa agrega ganancia y se come ancho de banda.
01Por qué más de una etapa
Una sola etapa rara vez cumple todo lo que se pide de un amplificador: mucha ganancia, resistencia de entrada alta para no cargar a la fuente y resistencia de salida baja para excitar la carga. Cada configuración es buena en una cosa, así que se las combina en cascada, cada una haciendo lo suyo:
| Etapa | Función | Configuración típica |
|---|---|---|
| Entrada | No cargar a la fuente, rechazar el modo común, poco ruido | Par diferencial, seguidor, FET |
| Ganancia | Aportar casi toda la amplificación de tensión | Emisor o fuente común con carga activa |
| Salida | Entregar corriente a una carga baja | Seguidor de emisor, par complementario |
Es exactamente la estructura de un amplificador operacional integrado: un par diferencial, una etapa de ganancia y una etapa de salida.
02La ganancia de una cascada
La ganancia total es el producto de las ganancias de cada etapa, pero medida con la carga real que le pone la siguiente. Entre dos etapas se forma un divisor entre la resistencia de salida de una y la de entrada de la otra:
El error típico es calcular cada etapa en vacío y multiplicar: una etapa de ganancia 100 con salida de 10 kΩ, cargada por una entrada de 10 kΩ, entrega solo 50. Un seguidor intercalado entre las dos resuelve el problema, a costa de una etapa más.
03Cómo se conectan las etapas
| Acoplamiento | Ventaja | Problema |
|---|---|---|
| Capacitivo | Cada etapa se polariza por separado | No pasa la continua; cada capacitor agrega un corte en baja frecuencia |
| Directo | Amplifica desde la continua; no hay capacitores grandes: es lo único posible en un integrado | Los niveles de continua de una etapa fijan los de la siguiente, y la deriva se amplifica |
| Por transformador | Adapta impedancias y aísla | Pesado, caro y de banda limitada: hoy solo en radiofrecuencia y aislación |
04Combinaciones clásicas
- Darlington: dos transistores donde el emisor del primero alimenta la base del segundo. Se comportan como uno solo con β de alrededor de \( \beta_1 \beta_2 \), unos 10 000, y el doble de tensión base-emisor. Se usa en etapas de salida y en llaves de potencia.
- Cascodo: un emisor común seguido de una base común. La base común mantiene fija la tensión de colector del primero, que casi no tiene ganancia de tensión y por lo tanto casi no sufre el efecto Miller: la capacidad colector-base, que en un emisor común con ganancia 100 se ve multiplicada por 101 desde la entrada, en el cascodo se multiplica apenas por 2. Resultado: el mismo \( g_m R_C \) con mucho más ancho de banda.
- Emisor común seguido de colector común: ganancia de la primera y baja resistencia de salida de la segunda.
05El ancho de banda se encoge
Cada etapa tiene su corte de alta frecuencia. Al ponerlas en cascada, los cortes se multiplican y la respuesta total cae antes que la de cada una. Para \( n \) etapas idénticas con un polo en \( f_H \):
Por eso no conviene fabricar una ganancia enorme con muchas etapas idénticas: cada etapa agregada da ganancia pero se come ancho de banda. El diseño equilibra el número de etapas, la ganancia de cada una y su ancho de banda propio.
\( n \) etapas iguales, cada una con una ganancia en vacío, un polo de alta frecuencia y una pérdida por carga en cada unión (dada por el cociente entre la entrada de la etapa siguiente y la salida de la anterior). El gráfico compara la respuesta de una sola etapa con la de la cascada.
06En el laboratorio
Armar dos emisores comunes acoplados por capacitor y medir la ganancia total. Intercalar un seguidor de emisor entre ellos y comparar con el producto de las ganancias en vacío.
Medir el corte de alta frecuencia de un emisor común con resistencia de fuente de 10 kΩ, y después el de un cascodo con el mismo transistor de entrada y la misma carga.
Con dos etapas iguales, medir el ancho de banda de cada una y el de la cascada, y compararlo con el 64 % que predice la fórmula.
07Errores frecuentes
- Multiplicar ganancias en vacío. Hay que incluir la carga de cada etapa sobre la anterior.
- Suponer que el ancho de banda total es el de una etapa. Con varias etapas es menor.
- Acoplar directo sin revisar los niveles de continua. Una etapa puede quedar saturada por la tensión de la anterior.
- Olvidar el efecto Miller. Una etapa de mucha ganancia multiplica su capacidad colector-base vista desde la entrada.
08Autoevaluación
Una etapa de ganancia 50 con salida de 5 kΩ carga una entrada de 20 kΩ. ¿Cuánto entrega?
\( 50 \times 20/25 = 40 \).
¿Qué ancho de banda tienen tres etapas iguales de 1 MHz cada una?
\( 1 \text{ MHz} \times \sqrt{2^{1/3} - 1} \approx 510 \) kHz.
¿Por qué el cascodo tiene más ancho de banda que el emisor común?
Porque el transistor de entrada casi no tiene ganancia de tensión y su capacidad colector-base no se multiplica por efecto Miller.
¿Qué β aproximado tiene un Darlington de dos transistores de β = 80?
Unos 6400.
09Para ampliar
- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Microelectronic Circuits. 7.ª ed., Oxford University Press, 2014. Los amplificadores multietapa y la respuesta en frecuencia, con el efecto Miller y el cascodo.
- Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis y Robert G. Meyer. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits. 5.ª ed., Wiley, 2009. Las etapas de salida y las combinaciones de transistores de un amplificador integrado.
- Jacob Millman y Arvin Grabel. Microelectronics. 2.ª ed., McGraw-Hill, 1987. El texto clásico de la cátedra, muy completo en amplificadores multietapa acoplados y su respuesta en frecuencia.