amplificador multietapa

Un amplificador multietapa es un amplificador electrónico compuesto por dos o más amplificadores monoetapa conectados entre sí. En este contexto, una etapa monoetapa es un amplificador que contiene un solo transistor (a veces un par de transistores) u otro dispositivo activo. La razón más común para usar múltiples etapas es aumentar la ganancia del amplificador en aplicaciones donde la señal de entrada es muy pequeña, por ejemplo, en receptores de radio . En estas aplicaciones, una sola etapa tiene una ganancia insuficiente por sí sola. En algunos diseños es posible obtener valores más deseables de otros parámetros, como la resistencia de entrada y la resistencia de salida .

El esquema de conexión más simple y común es una conexión en cascada de etapas idénticas o similares que forman un amplificador en cascada . ^{[ 1 ]} En una conexión en cascada, el puerto de salida de una etapa se conecta al puerto de entrada de la siguiente. Típicamente, las etapas individuales son transistores de unión bipolar (BJT) en una configuración de emisor común o transistores de efecto de campo (FET) en una configuración de fuente común . Hay algunas aplicaciones donde se prefiere la configuración de base común . La base común tiene una alta ganancia de voltaje pero no ganancia de corriente. Se utiliza en receptores de radio y televisión UHF porque su baja resistencia de entrada es más fácil de adaptar a las antenas que el emisor común. En amplificadores que tienen una entrada diferencial y se requiere que emitan una señal diferencial, las etapas deben ser amplificadores diferenciales como pares de cola larga . Estas etapas contienen dos transistores para manejar la señalización diferencial .

Se pueden utilizar esquemas más complejos con diferentes etapas que tengan distintas configuraciones para crear un amplificador cuyas características superen las de una sola etapa para varios parámetros diferentes, como ganancia, resistencia de entrada y resistencia de salida . ^{[ 2 ]} La etapa final puede ser una configuración de colector común para actuar como un amplificador buffer . Las etapas de colector común no tienen ganancia de voltaje pero sí alta ganancia de corriente y baja resistencia de salida. Por lo tanto, la carga puede consumir una corriente alta sin afectar el rendimiento del amplificador. A veces se encuentra una conexión en cascada (etapa de emisor común seguida de etapa de base común). Los amplificadores de potencia de audio normalmente tendrán una salida push-pull como etapa final.

Un par de transistores Darlington es otra forma de obtener una alta ganancia de corriente. En esta configuración, el emisor del primer transistor alimenta la base del segundo, con ambos colectores conectados en común. A diferencia de la etapa de colector común, un par Darlington puede tener ganancia de voltaje además de ganancia de corriente. Un par Darlington generalmente se considera una sola etapa en lugar de dos etapas separadas. Se conecta de la misma manera que un transistor individual y suele presentarse como un solo dispositivo.

Se puede aplicar retroalimentación negativa general al amplificador. Esto reduce la ganancia de voltaje, pero tiene varios efectos deseables: aumenta la resistencia de entrada, disminuye la resistencia de salida y aumenta el ancho de banda .

La dificultad para calcular la ganancia de las etapas en cascada radica en el acoplamiento no ideal entre ellas debido a la carga. Se muestran dos etapas de emisor común en cascada. Dado que la resistencia de entrada de la segunda etapa forma un divisor de tensión con la resistencia de salida de la primera etapa, la ganancia total no es el producto de las ganancias de las etapas individuales (separadas).

La ganancia total de un amplificador multietapa es el producto de las ganancias de las etapas individuales (ignorando los posibles efectos de carga ):

Ganancia (A) = A ₁ * A ₂ *A ₃ *A ₄ *... *A _n .

Alternativamente, si la ganancia de cada etapa del amplificador se expresa en decibelios (dB), la ganancia total es la suma de las ganancias de las etapas individuales:

Ganancia en dB (A) = A ₁ + A ₂ + A ₃ + A ₄ + ... A _n

Existen diversas opciones para el método de acoplamiento de las etapas del amplificador. En el amplificador de acoplamiento directo , como su nombre indica, las etapas se conectan mediante conductores simples entre la salida de una etapa y la entrada de la siguiente. Esto es necesario cuando el amplificador debe funcionar en corriente continua (CC), como en los amplificadores de instrumentación , pero presenta varios inconvenientes. La conexión directa provoca la interacción entre los circuitos de polarización de las etapas adyacentes. Esto complica el diseño y conlleva limitaciones en otros parámetros del amplificador. Los amplificadores de CC también son propensos a la deriva , lo que requiere un ajuste preciso y componentes de alta estabilidad.

Cuando no se requiere amplificación de CC, una opción común es el acoplamiento RC . En este esquema, un condensador se conecta en serie entre las entradas y salidas de las etapas. Dado que el condensador no permite el paso de CC, las polarizaciones de las etapas no pueden interactuar. La salida del amplificador no se desviará de cero cuando no haya entrada. La capacitancia (C) del condensador y las resistencias de entrada y salida de las etapas forman un circuito RC . Esto actúa como un filtro paso alto básico . El valor del condensador debe ser lo suficientemente grande como para que este filtro deje pasar la frecuencia más baja de interés. Para amplificadores de audio, este valor puede ser relativamente grande, pero en radiofrecuencias es un componente pequeño de costo insignificante en comparación con el amplificador completo.

El acoplamiento por transformador es una alternativa al acoplamiento de CA. Al igual que el acoplamiento RC, aísla la CC entre etapas. Sin embargo, los transformadores son más voluminosos y mucho más caros que los condensadores, por lo que se utilizan con menos frecuencia. El acoplamiento por transformador resulta especialmente útil en amplificadores sintonizados . La inductancia de los devanados del transformador actúa como inductor de un circuito sintonizado LC . Si ambos lados del transformador están sintonizados, se denomina amplificador de doble sintonización . La sintonización escalonada consiste en sintonizar cada etapa a una frecuencia diferente para mejorar el ancho de banda a costa de la ganancia .

El acoplamiento óptico se logra mediante optoacopladores entre etapas. Estos ofrecen la ventaja de proporcionar un aislamiento eléctrico completo entre etapas, lo que garantiza el aislamiento de corriente continua y evita la interacción entre ellas. El aislamiento óptico se utiliza a veces por motivos de seguridad eléctrica. También puede emplearse para proporcionar una transición de balanceada a no balanceada .