Comentarios

Si algún porcentaje de la señal de salida de un amplificador está conectado a la entrada, de modo que el amplificador amplifica parte de su señal de salida, tenemos lo que se conoce como retroalimentación .

Categorías de comentarios

Los comentarios vienen en dos variedades: positivo (también llamado regenerativo ) y negativo (también llamado degenerativo ) .

Comentarios positivos

Refuerza la dirección del cambio de voltaje de salida de un amplificador, mientras que la retroalimentación negativa hace todo lo contrario.

Un ejemplo familiar de retroalimentación ocurre en los sistemas de megafonía ("PA") donde alguien sostiene el micrófono demasiado cerca de un altavoz:se produce un "quejido" o "aullido" agudo, porque el sistema de amplificación de audio está detectando y amplificando su ruido. Específicamente, este es un ejemplo de positivo o regenerativo retroalimentación, ya que cualquier sonido detectado por el micrófono se amplifica y el altavoz lo convierte en un sonido más fuerte, que luego es detectado por el micrófono nuevamente, y así sucesivamente. . . el resultado es un ruido de volumen en constante aumento hasta que el sistema se "satura" y no puede producir más volumen.

Uno podría preguntarse cuál es la posible retroalimentación de beneficios para un circuito amplificador, dado un ejemplo tan molesto como el "aullido" de un sistema de megafonía. Si introducimos retroalimentación positiva o regenerativa en un circuito amplificador, tiende a crear y mantener oscilaciones, cuya frecuencia está determinada por los valores de los componentes que manejan la señal de retroalimentación de salida a entrada. Esta es una forma de hacer un oscilador circuito para producir CA a partir de una fuente de alimentación CC. Los osciladores son circuitos muy útiles, por lo que la retroalimentación tiene una aplicación práctica y definida para nosotros.

Comentarios negativos

Por otro lado, la retroalimentación negativa tiene un efecto de "amortiguación" en un amplificador:si la señal de salida aumenta en magnitud, la señal de retroalimentación introduce una influencia decreciente en la entrada del amplificador, oponiéndose así al cambio en la señal de salida. Mientras que la retroalimentación positiva conduce un circuito amplificador hacia un punto de inestabilidad (oscilaciones), la retroalimentación negativa lo conduce en la dirección opuesta:hacia un punto de estabilidad.

Un circuito amplificador equipado con cierta cantidad de retroalimentación negativa no solo es más estable, sino que distorsiona menos la forma de onda de entrada y generalmente es capaz de amplificar un rango más amplio de frecuencias. La compensación por estas ventajas (solo tiene ser una desventaja para la retroalimentación negativa, ¿verdad?) es una ganancia reducida. Si una parte de la señal de salida de un amplificador se "retroalimenta" a la entrada para oponerse a cualquier cambio en la salida, se requerirá una mayor amplitud de la señal de entrada para impulsar la salida del amplificador a la misma amplitud que antes. Esto constituye una ganancia disminuida. Sin embargo, las ventajas de estabilidad, menor distorsión y mayor ancho de banda valen la pena compensar la reducción de la ganancia para muchas aplicaciones.

Examinemos un circuito amplificador simple y veamos cómo podemos introducir retroalimentación negativa en él, comenzando con la figura siguiente.

Amplificador de emisor común sin retroalimentación.

La configuración del amplificador que se muestra aquí es un emisor común, con una red de polarización de resistencia formada por R1 y R2. El capacitor acopla Vinput al amplificador para que la fuente de señal no tenga un voltaje de CC impuesto por la red divisoria R1 / R2. La resistencia R3 sirve para controlar la ganancia de voltaje. Podríamos omitirlo para obtener la máxima ganancia de voltaje, pero dado que las resistencias de base como esta son comunes en los circuitos amplificadores de emisor común, lo mantendremos en este esquema.

Como todos los amplificadores de emisor común, este invierte la señal de entrada a medida que se amplifica. En otras palabras, un voltaje de entrada positivo hace que el voltaje de salida disminuya o se mueva hacia el negativo, y viceversa.

Las formas de onda del osciloscopio se muestran en la siguiente figura.

Amplificador de emisor común, sin retroalimentación, con formas de onda de referencia para comparar.

Debido a que la salida es una reproducción invertida, o imagen reflejada, de la señal de entrada, cualquier conexión entre el cable de salida (colector) y el cable de entrada (base) del transistor en la figura siguiente dará como resultado negativo comentarios.

La retroalimentación negativa, la retroalimentación del colector, disminuye la señal de salida.

Las resistencias de R1, R2, R3 y Rfeedback funcionan juntas como una red de mezcla de señales de modo que el voltaje visto en la base del transistor (con respecto a tierra) es un promedio ponderado del voltaje de entrada y el voltaje de retroalimentación, lo que resulta en una señal de amplitud reducida que entra en el transistor. Entonces, el circuito amplificador en la figura anterior tendrá una ganancia de voltaje reducida, pero una linealidad mejorada (distorsión reducida) y un ancho de banda aumentado.

Sin embargo, una resistencia que conecta el colector a la base no es la única forma de introducir retroalimentación negativa en este circuito amplificador. Otro método, aunque más difícil de entender al principio, implica la colocación de una resistencia entre el terminal emisor del transistor y la tierra del circuito en la figura siguiente.

Retroalimentación del emisor:un método diferente para introducir retroalimentación negativa en un circuito.

Esta nueva resistencia de retroalimentación reduce el voltaje proporcionalmente a la corriente del emisor a través del transistor, y lo hace de tal manera que se opone a la influencia de la señal de entrada en la unión base-emisor del transistor. Echemos un vistazo más de cerca a la unión emisor-base y veamos qué diferencia hace esta nueva resistencia en la figura siguiente.

Sin una resistencia de retroalimentación que conecte el emisor a tierra en la figura a continuación (a), cualquier nivel de señal de entrada (Vinput) pasa a través del condensador de acoplamiento y la red de resistencia R1 / R2 / R3 se imprimirá directamente a través de la unión base-emisor como el voltaje de entrada del transistor (VB-E). En otras palabras, sin resistencia de retroalimentación, VB-E es igual a Vinput. Por lo tanto, si Vinput aumenta en 100 mV, entonces VB-E aumenta en 100 mV:un cambio en uno es lo mismo que un cambio en el otro, ya que los dos voltajes son iguales entre sí.

Ahora consideremos los efectos de insertar una resistencia (Rfeedback) entre el cable del emisor del transistor y la tierra en la Figura siguiente (b).

(a) Sin retroalimentación frente a (b) retroalimentación del emisor. Una forma de onda en el colector se invierte con respecto a la base. En (b) la forma de onda del emisor está en fase (seguidor del emisor) con la base, fuera de fase con el colector. Por lo tanto, la señal del emisor se resta de la señal de salida del colector.

Observe cómo la caída de voltaje a través de Rfeedback se suma con VB-E para igualar Vinput. Con Rfeedback en el bucle Vinput — VB-E, VB-E ya no será igual a Vinput. Sabemos que Rfeedback bajará un voltaje proporcional a la corriente del emisor, que a su vez está controlada por la corriente base, que a su vez está controlada por el voltaje que cae a través de la unión base-emisor del transistor (VB-E). Por lo tanto, si Vinput aumentara en una dirección positiva, aumentaría VB-E, provocando más corriente de base, provocando más corriente de colector (carga), provocando más corriente de emisor y provocando que se caiga más voltaje de retroalimentación a través de Rfeedback. Sin embargo, este aumento de la caída de voltaje en la resistencia de retroalimentación resta de Vinput para reducir el VB-E, de modo que el aumento de voltaje real para VB-E sea menor que el aumento de voltaje de Vinput. Un aumento de 100 mV en Vinput ya no dará como resultado un aumento completo de 100 mV para VB-E, porque los dos voltajes no iguales entre sí.

En consecuencia, el voltaje de entrada tiene menos control sobre el transistor que antes, y la ganancia de voltaje para el amplificador se reduce:justo lo que esperábamos de la retroalimentación negativa.

En los circuitos prácticos de emisor común, la retroalimentación negativa no es solo un lujo; Es una necesidad para un funcionamiento estable. En un mundo perfecto, podríamos construir y operar un amplificador de transistor de emisor común sin retroalimentación negativa, y tener toda la amplitud de Vinput impresa a través de la unión base-emisor del transistor. Esto nos daría una gran ganancia de voltaje. Desafortunadamente, sin embargo, la relación entre el voltaje base-emisor y la corriente base-emisor cambia con la temperatura, como predice la "ecuación del diodo". A medida que el transistor se calienta, habrá menos caída de voltaje directo a través de la unión base-emisor para cualquier corriente dada. Esto nos causa un problema, ya que la red del divisor de voltaje R1 / R2 está diseñada para proporcionar la corriente de reposo correcta a través de la base del transistor para que funcione en cualquier clase de operación que deseemos (en este ejemplo, he mostrado el amplificador funciona en modo clase A). Si la relación voltaje / corriente del transistor cambia con la temperatura, la cantidad de voltaje de polarización de CC necesaria para la clase de operación deseada cambiará. Un transistor caliente atraerá más corriente de polarización para la misma cantidad de voltaje de polarización, lo que hará que se caliente aún más, generando aún más corriente de polarización. El resultado, si no se marca, se denomina fuga térmica .

Sin embargo, los amplificadores de colector común (Figura siguiente) no sufren de fugas térmicas. ¿Por qué es esto? La respuesta tiene mucho que ver con la retroalimentación negativa.

Amplificador de colector común (seguidor de emisor).

Tenga en cuenta que el amplificador de colector común (Figura anterior) tiene su resistencia de carga colocada en el mismo lugar que teníamos la resistencia de retroalimentación R en el último circuito en la Figura anterior (b):entre el emisor y la tierra. Esto significa que el único voltaje que se imprime a través de la unión base-emisor del transistor es la diferencia entre Vinput y Voutput, lo que da como resultado una ganancia de voltaje muy baja (generalmente cerca de 1 para un amplificador de colector común). La fuga térmica es imposible para este amplificador:si la corriente base aumenta debido al calentamiento del transistor, la corriente del emisor también aumentará, disminuyendo más voltaje a través de la carga, que a su vez resta de Vinput para reducir la cantidad de voltaje que cae entre la base y el emisor. En otras palabras, la retroalimentación negativa proporcionada por la ubicación de la resistencia de carga hace que el problema de la fuga térmica autocorregible . A cambio de una ganancia de voltaje muy reducida, obtenemos una excelente estabilidad e inmunidad frente a la fuga térmica.

Al agregar una resistencia de "retroalimentación" entre el emisor y la tierra en un amplificador de emisor común, hacemos que el amplificador se comporte un poco menos como un emisor común "ideal" y un poco más como un colector común. El valor de la resistencia de retroalimentación suele ser bastante menor que la carga, lo que minimiza la cantidad de retroalimentación negativa y mantiene la ganancia de voltaje bastante alta.

Otro beneficio de la retroalimentación negativa, que se ve claramente en el circuito de colector común, es que tiende a hacer que la ganancia de voltaje del amplificador dependa menos de las características del transistor. Tenga en cuenta que en un amplificador de colector común, la ganancia de voltaje es casi igual a la unidad (1), independientemente de la β del transistor. Esto significa, entre otras cosas, que podríamos reemplazar el transistor en un amplificador de colector común por uno que tenga un β diferente y no ver ningún cambio significativo en la ganancia de voltaje. En un circuito de emisor común, la ganancia de voltaje depende en gran medida de β. Si reemplazáramos el transistor en un circuito de emisor común con otro de diferente β, la ganancia de voltaje para el amplificador cambiaría significativamente. En un amplificador de emisor común equipado con retroalimentación negativa, la ganancia de voltaje seguirá dependiendo del transistor β hasta cierto punto, pero no tanto como antes, lo que hace que el circuito sea más predecible a pesar de las variaciones en el transistor β.

El hecho de que tengamos que introducir retroalimentación negativa en un amplificador de emisor común para evitar una fuga térmica es una solución insatisfactoria. ¿Es posible evitar la fuga térmica sin tener que suprimir la ganancia de voltaje inherentemente alta del amplificador? La mejor solución de ambos mundos para este dilema está disponible para nosotros si examinamos de cerca el problema:la ganancia de voltaje que tenemos que minimizar para evitar la fuga térmica es la CC ganancia de voltaje, no la CA ganancia de voltaje. Después de todo, no es la señal de entrada de CA lo que impulsa la fuga térmica:es el voltaje de polarización de CC requerido para una cierta clase de operación:esa señal de CC en reposo que usamos para "engañar" al transistor (fundamentalmente un dispositivo de CC) para que amplifique una señal de CA. Podemos suprimir la ganancia de voltaje de CC en un circuito amplificador de emisor común sin suprimir la ganancia de voltaje de CA si encontramos una manera de hacer que la retroalimentación negativa solo funcione con CC. Es decir, si solo realimentamos una señal de CC invertida de salida a entrada, pero no una señal de CA invertida.

La resistencia del emisor de retroalimentación R proporciona retroalimentación negativa al dejar caer un voltaje proporcional a la corriente de carga. En otras palabras, la retroalimentación negativa se logra insertando una impedancia en la ruta de la corriente del emisor. Si queremos retroalimentar DC pero no AC, necesitamos una impedancia alta para DC pero baja para AC. ¿Qué tipo de circuito presenta una alta impedancia a CC pero una baja impedancia a CA? ¡Un filtro de paso alto, por supuesto!

Al conectar un capacitor en paralelo con la resistencia de retroalimentación en la Figura siguiente, creamos la situación que necesitamos:una ruta desde el emisor a tierra que es más fácil para CA que para CC.

Se restableció la ganancia de voltaje de CA alta agregando Cbypass en paralelo con Rfeedback

El nuevo capacitor "deriva" la CA del emisor del transistor a tierra para que no se caiga un voltaje CA apreciable del emisor a tierra para "retroalimentar" a la entrada y suprimir la ganancia de voltaje. La corriente continua, por otro lado, no puede pasar a través del condensador de derivación y, por lo tanto, debe viajar a través de la resistencia de retroalimentación, dejando caer un voltaje de CC entre el emisor y la tierra, lo que reduce la ganancia de voltaje de CC y estabiliza la respuesta de CC del amplificador, evitando el desbordamiento térmico. Debido a que queremos que la reactancia de este capacitor (XC) sea lo más baja posible, Cbypass debe tener un tamaño relativamente grande. Debido a que la polaridad a través de este capacitor nunca cambiará, es seguro usar un capacitor polarizado (electrolítico) para la tarea.

Otro enfoque al problema de la retroalimentación negativa que reduce la ganancia de voltaje es usar amplificadores de múltiples etapas en lugar de amplificadores de un solo transistor. Si la ganancia atenuada de un solo transistor es insuficiente para la tarea en cuestión, podemos usar más de un transistor para compensar la reducción causada por la retroalimentación. Un circuito de ejemplo que muestra retroalimentación negativa en un amplificador de emisor común de tres etapas en la figura siguiente.

La retroalimentación en torno a un número "impar" de etapas de emisor común acopladas directamente produce una retroalimentación negativa.

La ruta de retroalimentación desde la salida final a la entrada es a través de una sola resistencia, Rfeedback. Dado que cada etapa es un amplificador de emisor común (por lo tanto, se invierte), el número impar de etapas desde la entrada hasta la salida invertirá la señal de salida; la retroalimentación será negativa (degenerativa). Se pueden usar cantidades relativamente grandes de retroalimentación sin sacrificar la ganancia de voltaje porque las tres etapas del amplificador proporcionan mucha ganancia, para empezar.

Al principio, esta filosofía de diseño puede parecer poco elegante y quizás incluso contraproducente. ¿No es esta una forma bastante burda de superar la pérdida de ganancia incurrida mediante el uso de la retroalimentación negativa, de simplemente recuperar la ganancia agregando etapa tras etapa? ¿Cuál es el punto de crear una gran ganancia de voltaje usando tres etapas de transistor si de todos modos vamos a atenuar toda esa ganancia con retroalimentación negativa? El punto, aunque quizás no sea evidente al principio, es una mayor previsibilidad y estabilidad del circuito en su conjunto. Si las tres etapas del transistor están diseñadas para proporcionar una ganancia de voltaje arbitrariamente alta (en decenas de miles o más) sin retroalimentación, se encontrará que la adición de retroalimentación negativa hace que la ganancia de voltaje general se vuelva menos dependiente del individuo ganancias de etapa, y aproximadamente igual a la relación simple Rfeedback / Rin. Cuanto más ganancia de voltaje tenga el circuito (sin retroalimentación), más se aproximará la ganancia de voltaje a Rfeedback / Rin una vez que se establezca la retroalimentación. En otras palabras, la ganancia de voltaje en este circuito está fijada por los valores de dos resistencias y nada más.

Esta es una ventaja para la producción en masa de circuitos electrónicos:si se pueden construir amplificadores de ganancia predecible usando transistores de valores β muy variados, se facilita la selección y reemplazo de componentes. También significa que la ganancia del amplificador varía poco con los cambios de temperatura. Este principio de control de ganancia estable a través de un amplificador de alta ganancia "domesticado" por retroalimentación negativa se eleva casi a una forma de arte en los circuitos electrónicos llamados amplificadores operacionales o amplificadores operacionales . ¡Puede leer mucho más sobre estos circuitos en un capítulo posterior de este libro!

REVISAR:

• Comentarios es el acoplamiento de la salida de un amplificador a su entrada.
• Positivo o regenerativo la retroalimentación tiene la tendencia de hacer inestable un circuito amplificador, de modo que produce oscilaciones (CA). La frecuencia de estas oscilaciones está determinada en gran medida por los componentes de la red de retroalimentación.
• Negativo o degenerativo la retroalimentación tiene la tendencia de hacer que un circuito amplificador sea más estable, por lo que su salida cambia menos para una señal de entrada dada que sin retroalimentación. Esto reduce la ganancia del amplificador, pero tiene la ventaja de disminuir la distorsión y aumentar el ancho de banda (el rango de frecuencias que el amplificador puede manejar).
• La retroalimentación negativa se puede introducir en un circuito de emisor común acoplando el colector a la base o insertando una resistencia entre el emisor y la tierra.
• Una resistencia de "retroalimentación" de emisor a tierra se encuentra generalmente en circuitos de emisor común como medida preventiva contra fugas térmicas .
• La retroalimentación negativa también tiene la ventaja de hacer que la ganancia de voltaje del amplificador sea más dependiente de los valores de la resistencia y menos dependiente de las características del transistor.
• Los amplificadores de colector común tienen mucha retroalimentación negativa, debido a la ubicación de la resistencia de carga entre el emisor y la tierra. Esta retroalimentación explica la ganancia de voltaje extremadamente estable del amplificador, así como su inmunidad contra la fuga térmica.
• La ganancia de voltaje para un circuito de emisor común se puede restablecer sin sacrificar la inmunidad a la fuga térmica, conectando un condensador de derivación en paralelo con el "resistor de retroalimentación" del emisor.
• Si la ganancia de voltaje de un amplificador es arbitrariamente alta (decenas de miles o más), y se usa retroalimentación negativa para reducir la ganancia a niveles razonables, se encontrará que la ganancia será aproximadamente igual a la retroalimentación R / R _en . Los cambios en los valores β del transistor u otros componentes internos tendrán poco efecto sobre la ganancia de voltaje con la retroalimentación en funcionamiento, lo que dará como resultado un amplificador estable y fácil de diseñar.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de amplificadores BJT de clase A