Amplificadores realimentados
Un amplificador que distorsiona un 7,7 % baja al 1,2 % con una ganancia de lazo de 10. La realimentación cambia ganancia sobrante por linealidad.
01La ganancia de lazo
Un amplificador realimentado toma una muestra de su salida, la multiplica por un factor \( \beta \) y la resta de la entrada. Si el amplificador sin realimentar tiene ganancia \( A \), la ganancia con el lazo cerrado es:
La realimentación cambia ganancia por otras cualidades. El intercambio más directo es la desensibilización: una variación relativa de \( A \) llega a la ganancia realimentada dividida por \( 1 + T \):
Los amplificadores de varias etapas de Electrónica Aplicada I tienen ganancias grandes pero imprecisas; la realimentación las convierte en ganancias chicas y exactas.
02Las cuatro topologías
La muestra de la salida puede ser una tensión (conexión en paralelo con la salida) o una corriente (en serie), y la señal realimentada puede restarse como tensión (en serie con la entrada) o como corriente (en paralelo). Cada combinación estabiliza una transferencia distinta y modifica las impedancias en el factor \( 1 + T \):
| Topología (entrada–salida) | Estabiliza | Entrada | Salida |
|---|---|---|---|
| Serie–paralelo | Ganancia de tensión | \( R_i(1+T) \) | \( R_o/(1+T) \) |
| Paralelo–serie | Ganancia de corriente | \( R_i/(1+T) \) | \( R_o(1+T) \) |
| Serie–serie | Transconductancia | \( R_i(1+T) \) | \( R_o(1+T) \) |
| Paralelo–paralelo | Transresistencia | \( R_i/(1+T) \) | \( R_o/(1+T) \) |
La regla es simple: la conexión en serie multiplica la impedancia por \( 1 + T \) y la conexión en paralelo la divide. El amplificador no inversor con operacional es serie–paralelo: entrada de impedancia altísima y salida casi nula. El emisor común con resistencia de emisor sin desacoplar es serie–serie, y con resistencia de colector a base, paralelo–paralelo.
En los circuitos reales la red de realimentación carga al amplificador. El análisis riguroso separa primero el amplificador cargado por la red, calcula \( A \) y \( \beta \) de esa versión, y recién entonces aplica las fórmulas. Otra forma, más directa, es calcular \( T \) cortando el lazo en un punto y aplicar el teorema de Blackman para las impedancias.
03Distorsión, ruido y ancho de banda
La realimentación compara continuamente la salida con la entrada: si el amplificador distorsiona, el error aparece en la entrada del amplificador y se corrige. Las componentes de distorsión generadas dentro del lazo quedan divididas, aproximadamente, por \( 1 + T \), comparando a igual amplitud de salida. Lo mismo pasa con el ancho de banda: con un polo dominante en \( f_H \),
Un amplificador de ganancia \( A \) con una transferencia en tangente hiperbólica asimétrica, que satura en +7 V y −13 V. Con y sin realimentación se ajusta la entrada para obtener la misma amplitud de salida, y se comparan las formas de onda (arriba) y las armónicas (abajo, en dB respecto de la fundamental). La salida realimentada se calcula resolviendo el lazo en cada instante.
Hay algo que la realimentación no mejora: el ruido que entra junto con la señal, o que genera la primera etapa. Ese ruido se amplifica igual que la señal. La relación señal a ruido se decide en la etapa de entrada, antes del lazo.
04En el laboratorio
Armar un amplificador de dos etapas con transistores, medir su ganancia sin realimentar y con una red de realimentación de tensión en serie. Cambiar el transistor por otro de distinto β y comparar las variaciones.
Medir las impedancias de entrada y de salida con y sin realimentación y verificar el factor \( 1 + T \).
Con un analizador de espectro o la FFT de un osciloscopio, medir la distorsión armónica con y sin realimentación, ajustando la entrada para la misma salida.
05Errores frecuentes
- Comparar la distorsión a igual entrada. Con realimentación la salida es mucho más chica; la comparación válida es a igual salida.
- Olvidar la carga de la red de realimentación. Sin incluirla, \( A \) y \( \beta \) salen mal y las impedancias también.
- Esperar que la realimentación baje el ruido de entrada. Solo reduce lo que se genera dentro del lazo, después de la entrada.
- Confundir realimentación negativa con positiva. Si el signo se invierte, \( 1 + T \) puede anularse y el circuito oscila.
06Autoevaluación
Un amplificador de ganancia 2000 se realimenta con β = 0,05. ¿Qué ganancia tiene?
\( 2000/(1 + 100) \approx 19{,}8 \).
En el mismo circuito, si la ganancia del amplificador baja a 1000, ¿cuánto cambia la ganancia realimentada?
Pasa a \( 1000/51 = 19{,}6 \): un cambio del 1 % para uno del 50 %.
Un amplificador con salida de 1 kΩ se realimenta en serie–paralelo con T = 99. ¿Qué resistencia de salida tiene?
10 Ω.
Un amplificador de ganancia 10⁴ tiene un polo en 100 Hz. ¿Qué ancho de banda tiene con ganancia 100?
Unos 10 kHz: el producto ganancia por ancho de banda, 1 MHz, se conserva.
07Para ampliar
- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Microelectronic Circuits. 8.ª ed., Oxford University Press, 2020. Las cuatro topologías con el método de separar el amplificador cargado por la red.
- 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. La realimentación con el teorema de Blackman y el análisis por ganancia de lazo.
- Jacob Millman y Arvin Grabel. Microelectrónica. 6.ª ed., Hispano Europea, 1993. Un tratamiento clásico en castellano de los amplificadores realimentados.