Amplificadores:
Son circuitos que toman una señal a la entrada y le aumentan la amplitud para entregarla en la salida.

Parámetros de los Amplificadores: Ganancia:

Es la relación o cociente entre la magnitud de salida y la misma magnitud de entrada.De este modo podemos hablar de ganancia de tensión, de corriente o de potencia.Se puede expresar en dB.En los preamplificadores, interesa mucha ganancia de tensión.En las etapas de potencia, se trata de obtener elevadas ganancias de potencia.

Impedancia de entrada:

Es la impedancia que “ve” el circuito que conectamos a la entrada hacia dentro del amplificador.
Aunque se suele hablar de impedancia porque en la realidad es un número complejo se suelen dar los valores en ohmios como si fuera un valor resistivo puro.En amplificadores de tensión (por ej. Amplificadores de audio) interesa impedancias de entrada altas.

Impedancia de salida:

Es algo parecido a la resistencia Thevenin del circuito. El circuito equivalente de un amplificador de tensión seria:

DIBUJO

Ancho de banda:

Nos indica qué márgenes de frecuencias puede amplificar.Nos puede interesar ancho de banda grande, y en otros anchos de banda estrecho.

Rendimiento:

Es el cociente entre la potencia de señal entregada en la carga y la potencia consumida de la fuente de alimentación.Se suele expresar en %.Se aplica sobre todo a amplificadores de potencia.A mayor rendimiento, mayor eficiencia del amplificador.

Distorsión:

La distorsión es la mayor o menor medida en la que la “forma” de la señal de salida es diferente a la de entrada.Por el hecho de no tener un ancho de banda infinito, al eliminar armónicos de la señal de entrada, ya se introduce una distorsión.Pero existen tres tipos de distorsión típicos:Distorsión armónica.Distorsión de intermodulación.Distorsión de cruce. (amplificadores de potencia clase B).

Distorsión armónica:

Al ser los elementos activos de los amplificadores (transistores) no lineales, introducen armónicos no deseados de la señal de entrada. Se mide en %, a partir del cociente de la suma de las amplitudes de los armónicos no deseados entre la multitud del armónico principal. Esta se conoce como distorsión armónica total (TDH). La distorsión de segundo armónico es un caso particular de la anterior, en la que sólo se considera el segundo armónico.

Distorsión de intermodulación:

Por la misma razón que en la diapositiva anterior, al ser los elementos activos no lineales, cuando la señal de entrada no es senoidal pura, (está compuesta por armónicos), a la salida se producen armónicos no deseados cuyas frecuencias son sumas y restas de las frecuencias de loas armónicos originales. (f1 + f2), (f1 – f2), (f1 + 2f2), (2f1 + f2), etc. Este comportamiento, que es perjudicial en los amplificadores, es aprovechado por ejemplo para trasladar señales de una frecuencia a otra, como por ejemplo en el receptor LNB de una antena parabólica para satélite o el receptor superheterodino.

Figura de ruido:

Cualquier elemento activo, añade ruido a la señal que amplifica. La figura de ruido se mide en dB. Nos da una idea de lo “ruidoso” que es. (A más dB más ruido introduce). En amplificadores de propósito general, no es importante. Pero en los amplificadores de antena, por ejemplo, puede ser un parámetro crítico.

Clasificación por el elemento activo:

Un amplificador puede construirse con los siguientes elementos activos: Válvulas de vacío. Transistores: Bipolares, FET, MOS. Amplificadores operacionales. Amplificadores ya integrados.

Amplificadores con transistores:

Un amplificador con transistores (bipolares por ejemplo) pueden tener tres configuraciones atendiendo a los terminales usados como entrada y salida: Amplificador en emisor común. Amplificador en base común. Amplificador en colector común.

Amplificador en emisor común:

El emisor es común a las señales de entrada y salida. La entrada es por base. La salida es por colector. Debido a que el emisor se deriva a masa, se llama a este circuito amplificador con emisor a masa.

Amplificador con emisor común:

DIBUJO

Presenta una alta ganancia de tensión y de corriente, y por lo tanto muy buena ganancia de potencia. Tiene una impedancia de entrada media-alta. Tiene una impedancia de salida media-baja. La señal de salida está desfasada 180º respecto a la entrada.

Amplificador con colector común:

El colector es común a las señales de entrada y de salida. La señal de señal es por base y salida de señal es por emisor.

DIBUJO

Amplificador en colector común:

A este circuito se le llama también seguidor de emisor. Este amplificador proporciona una elevada ganancia de corriente, no tiene ganancia de tensión y por tanto pequeña ganancia de potencia. Ventajas: Es un amplificador de baja distorsión. Tiene una altísima impedancia de entrada y una bajísima impedancia de salida (ideal para adaptar impedancias).

Amplificador en base común:

La base es común a las señales de entrada y salida. La entrada es por emisor y la salida es por conector.

DIBUJO

Amplificador con base común:

Este amplificador proporciona una baja impedancia de entrada, y alta impedancia de salida. Además, proporciona ganancia de potencia, ya que no tiene ganancia de corriente. La salida está en fase con la entrada.

Amplificadores multietapa:

Amplificador constituido por un conjunto de amplificadores básicos conectados en cascada. Hay que tener en cuenta el acoplo de impedancias entre las etapas. La impedancia de entrada del conjunto es la impedancia de entrada de la primera etapa. La impedancia de salida del conjunto es la impedancia de salida de la última etapa.  La ganancia de tensión A, se obtiene multiplicando la ganancia de cada una de las etapas. La ganancia total en dB se obtiene sumando las ganancias de las etapas en dB. Un buen amplificador de tensión debe tener valores altos de cada A y un buen acoplamiento de impedancias. (Impedancia de entrada alta y salida baja). Lo ideal sería: A, Alta, Zi, infinito, Z0=0, En cada etapa igual.

DIBUJO

Amplificadores realimentados:

Normalmente los amplificadores están realimentados. La realimentación consiste en que parte de la salida se devuelve a la entrada.

DIBUJO. FÓRMULAS A SAQUÍSIMO

Carácterísticas de un amplificador realimentado: La ganancia se puede haces completamente estable y solo dependiendo de la red de realimentación:

FÓRMULAS

Si la red B está formada por resistencias, la ganancia del conjunto no depende de las carácterísticas de los elementos activos. Aunque la ganancia disminuye, aumenta el ancho de banda y la impedancia de entrada, disminuyendo la de salida. También disminuye mucho la distorsión. En definitiva el amplificador es mejor.

Amplificadores de potencia

Última etapa de amplificación. Diseñados para trabajar con cargas especificas (4 – 16 ohmios en el caso de audio o 75 en el caso de amplificadores de antena). Hay tres tipos principales: Clase A, Clase B, Clase C.

Amplificadores  de potencia: clase A:

Método común de funcionamiento de los amplificadores de tensión de audio. El transistor funciona siempre en la regíón activa. La corriente fluye durante 360º del ciclo de la señal. Ventajas: Produce una distorsión mínima. Circuitos de polarización sencillos y estables. Desventajas: Funcionamiento poco eficiente. El rendimiento teórico llega hasta el 50%, pero no se suele alcanzar más del 25%. Esto quiere decir que la potencia consumida de la F.A., sólo una cuarta parte se convierte en potencia de señal a la salida, y lo que es peor, el resto de la potencia la disipan los transistores, lo que es un problema.

DIBUJO

Amplificadores de potencia: Clase B:

La corriente fluye durante 180º del ciclo de señal (medio periodo). Ventajas: Menor disipación de potencia. Mayor rendimiento, aproximadamente del 60% al 80%. Desventajas: Tiene una mayor distorsión.

DIBUJO

Amplificadores de potencia: Clase C:

La corriente fluye durante menos de 180º del ciclo de señal, por lo que el circuito se polariza por debajo del umbral de corte => la corriente fluye a impulsos. Cuando impulsos de corriente cortos excitan un circuito resonante de alto Q, la tensión a través del circuito es una onda sinusoidal perfecta. Es el más eficiente de los tres. Rendimiento del 85% al 95%. Distorsión muy alta. Sólo funcionan bien en radiofrecuencia y con señales de banda estrecha. Se suelen utilizar también como osciladores y multiplicadores de frecuencia.

DIBUJO

Amplificadores de Audiofrecuencia:

En ellos, el ancho de banda abarca todas las frecuencias de audio (20Hz – 20kHz). Los amplificadores de audio son de vital importancia en todo proceso de recepción, transmisión y procesado de señales de audio. Los podemos encontrar en transmisores y receptores de radio y televisión, sistemas estéreo, sistemas telefónicos, sistemas de megafonía, sistemas de grabación – reproducción de audio. Son amplificadores de tensión: diseñados para amplificar señales de audio de baja tensión. Se utiliza en señales de salida de micrófonos, platos giradiscos, etc. => rango de mV o µV. Deben aumentar lo suficiente el nivel como para excitar a la etapa del amplificador de potencia. Se pueden conectar en cascada para aumentar la ganancia.

Amplificadores de potencia: última etapa de amplificación. Reciben la señal amplificada de los amplificadores de tensión y su salida se puede utilizar para realizar algún tipo de trabajo que requiera alta potencia, como la excitación de altavoces en receptores y transmisores de modulación. Suelen estar diseñados para funcionar con cargas especificas (4 – 16 ohmios).

Amplificadores de Radiofrecuencia:

Son muy similares y realizan las mismas funciones que los amplificadores de audiofrecuencia, aunque deben estar especialmente diseñados para trabajar a frecuencias muy altas. Suelen ser más selectivos, por lo que utilizan circuitos sintonizados LC (resonantes) o filtros selectivos. Amplificadores de tensión: Se utilizan en transmisores para amplificar las señales de RF antes de la modulación y en receptores para amplificar las señales recibidas y como multiplicadores de frecuencia. Funcionan en clase A. Tipos: Amplificador RF multifrecuencia. Amplificador de FI (frecuencia intermedia), que antecede a la etapa mezcladora y precede a la detectora. Proporciona una alta y excelente selectividad. Amplificadores de potencia: Se utilizan para suministrar energía a otro amplificador de potencia o a una antena transmisora Pueden funcionar en clase B y C.

Osciladores:

Utilizados en diversas ramas de la electrónica. En equipos de telecomunicaciones se utiliza como: generadores de frecuencia portadora de un transmisor. Osciladores locales (OL) en receptores superheterodinos.

Fundamentos de los osciladores:

Realmente un oscilador es un oscilador es un amplificador con realimentación positiva, en el que la red de realimentación B está compuesta de bobinas, condensadores y resistencias(elementos pasivos).La ganancia de lazo cerrado, como ya vimos es:

FÓRMULA

Componentes de un oscilador:

Una fuente de energía (fuente de alimentación). Un circuito que determina su frecuencia de oscilación (circuito de realimentación positiva):Circuitos. Circuitos LC. Dispositivos electromecánicos (cristal). Un amplificador.

Funcionamiento de un Oscilador

Tres fases:Encendido. Al aplicarse una fuente de voltaje, el oscilador origina transiciones momentáneas ricas en armónicos.Construcción de la señal. Se construye una señal de la frecuencia que viene determinada por el circuito y se realimenta la entrada del oscilador con la señal de salida. Estabilización de los osciladores. Mantenimiento de la frecuencia generada a base de controlar la realimentación.Criterio de barkhausen. Las oscilaciones se mantienen cuando el producto de la ganancia de amplificación (A) y la ganancia de retroalimentación (B) es igual a la unidad: AXB=1. Para que el oscilador arranque, se debe cumplir: AXB>1.

Osciladores RC:

Utilizan redes de resistencia-capacidad para determinar la frecuencia de oscilación. Carácterísticas: Barato y sencillo de construir. Relativamente estable.

Oscilador RC: Oscilador por desplazamiento de fase:

Emplean redes de realimentación RC de desplazamiento de fase que proporcionan el desplazamiento de 180º necesario para producir realimentación positiva, ya que el elemento activo, (transistor u operacional) desfasará otros 180º, con lo que el desfase del conjunto será 0º, es decir realimentación positiva.Normalmente se utilizan tres células RC.

DIBUJO

Frecuencia operativa del oscilador:

FÓRMULA

Para que empiecen las oscilaciones: Av>29. Av como coeficiente de R1 y R2.

Oscilador RC: Oscilador en puente de Wien:

En este oscilador se emplea un amplificador configurado como no-inversor. La frecuencia de oscilación será:

FÓRMULA

DIBUJO.

Oscilador LC: Oscilador Hartley:

DIBUJO.
Carácterística identificativa: bobina con toma intermedia a masa. Esto provoca que entre el extremo superior de L1 y el extremo inferior haya un desfase de 180º, que sumados a los 180º del transistor, hacen que el conjunto tenga desfase de 0º. La frecuencia de la señal de salida será la de resonancia de L1 y C4.Frecuencia de oscilación:

FÓRMULAS

Desventajas: Las bobinas tienden a estar mutuamente acopladas, la frecuencia de oscilación varía ligeramente de la calculada. La frecuencia de oscilación no puede variar en una gama amplia( limitación de la inductancia).

Oscilador LC: Oscilador Colpitts:

Carácterística identificativa: condensador con toma de derivación. El mismo efecto que la bobina del oscilador Hatley.

DIBUJO

Frecuencia de operación:

FÓRMULAS

Oscilador LC: Oscilador Clapp:

Versión mejorada del oscilador colpitts.

DIBUJO

La frecuencia del circuito depende esencialmente de la resonancia en serie de L1 y C3. Frecuencia de operación:

FÓRMULA

Gran estabilidad. Si quiero variar la frecuencia, tan sólo tengo que variar o C3 o L1.

Oscilador de cristal:

Osciladores LC y RC bastante inestables: Cambios de temperatura. Edad de los componentes. Solución: osciladores de cristal. Propiedades del cristal utilizado: piezoelectricidad: Generación de tensión entre sus caras al someterlo a presión mecánica. Vibración mecánica cuando se aplica una tensión entre sus caras. El cristal posee una frecuencia natural de vibración, que proporciona una señal eléctrica de frecuencia extremadamente constante y que sólo depende de sus dimensiones. La frecuencia natural de vibración es la frecuencia resonancia serie del circuito equivalente:

FÓRMULA

Frecuencia resonante paralelo:

FÓRMULA.

Pollas equivalentes:

FÓRMULA.

La frecuencia natural de vibración está determinada por el grosor del cristal; es inversamente proporcional a él. Límite de delgadez por fragilidad es 50 Mhz. Se pueden aprovechar armónicos para utilizar mayor frecuencia.

Osciladores de cristal: Oscilador Pierce:

Carácterísticas: Alta potencia de la señal de salida. Poca disipación de potencia en el cristal. Desventaja: requiere de un amplificador de alta ganancia (aprox 70).

DIBUJO

Oscilador controlado por tensión: VCO:

Es un oscilador que genera una señal de una determinada frecuencia y que puede variar dicha frecuencia según el valor de una tensión de entrada.Como ya veremos, se puede utilizar como un modulador de FM. En muchas ocasiones, se puede implementar usando diodos VARICAP, que tienen la carácterística de que se comportan como condensador, cuya capacidad se puede variar al cambiar la tensión inversa del diodo.

PLL (Phase Locked Loop):

Es un oscilador enganchado en fase. Es un circuito en bucle cerrado, por lo que la frecuencia del VCO tiende a igualarse con la señal de entrada.

DIBUJO

PLL:

Si existe señal de entrada el comparador de fase la compara con la del VCO y genera un voltaje de error proporcional a la diferencia de fase y frecuencia entre las dos.Esa tensión de error es filtrada y amplificada, y se usa para controlar la frecuencia del VCO para que el PLL se “enganche”.

Digitalización de señales

Transmisión de señales digitales:

En cualquier sistema de comunicaciones se debe aceptar que la señal que se recibe diferirá de la señal transmitida debido a varias adversidades y dificultades sufridas en la transmisión. En las señales analógicas, estas dificultades pueden degradar la calidad de la señal. En las señales digitales se generarán bits erróneos: un 1 binario se transformará en un 0 y viceversa.Las dificultades más significativas son:

Ruidos:

Para cualquier dato transmitido, la señal recibida consistirá en la señal transmitida modificada por las distorsiones introducidas en la transmisión, además de señales no deseadas que se insertarán en algún punto entre el emisor y el receptor. A estas últimas señales no deseadas se les denomina ruido. El ruido es el factor de mayor importancia de entre los que limitan las prestaciones de un sistema de comunicación. La señal de ruido se puede clasificar en cuatro categorías: 1El ruido térmico:
se debe a la agitación térmica de los electrones. Está presente en todos los dispositivos electrónicos y medios de transmisión. Como su nombre indica, es función de la temperatura. El ruido térmico está uniformemente distribuido en el espectro de frecuencias usado en los sistemas de comunicación y es por esto por lo que a veces se denomina ruido blanco. El ruido térmico no se puede eliminar y, por tanto, impone un límite superior en las prestaciones de los sistemas de comunicación. Es especialmente dañino en las comunicaciones vía satélite ya que, en estos sistemas, la señal recibida por las estaciones terrestres es muy débil. Cuando señales de distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión puede producirse 2ruido de intermodulación.
El efecto del ruido de intermodulación es la aparición de señales a frecuencias que sean suma o diferencia de las dos frecuencias originales o múltiplos de éstas. El ruido de intermodulación se produce cuando hay alguna no linealidad en el transmisor, en el receptor o en el sistema de transmisión. Tanto los transmisores como los receptores tienen entre sus bloques elementos activos (amplificadores) que siempre presentan no-linealidades en su respuesta, aunque sobretodo los amplificadores de potencia de los emisores se diseñan especialmente para que sean lo más línales posible. En Telecomunicación, se dice que entere dos circuitos existe 3diafonía, (denominada en inglés Crosstalk), cuando parte de las señales presentes en uno de ellos, considerado perturbador, aparece en el otro, considerado perturbado. La diafonía, en el caso de cables de pares trenzados se presenta generalmente debido a acoplamientos magnéticos entre los hilos que están próximos entre sí. En el caso de transmisión inalámbrica, la diafonía aparece como resultado de interferencias de otras señales en las antenas receptoras. 4El ruido impulsivo es que se añade a la amplitud de una señal como consecuencia de interferencias electromagnéticas puntuales y de gran magnitud. El ruido siempre se suma a la amplitud de la señal. 

La distorsión de retardo es un fenómeno debido a que la velocidad de propagación de una señal a través de un medio guiado varia con la frecuencia. Para una señal limitada en banda la velocidad tiende a ser mayor cerca de la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la banda. Por tanto, las distintas componentes en frecuencia de la señal llegaran al receptor en instantes diferentes de tiempo, dando lugar a desplazamientos de fase entre las diferentes frecuencias. La atenuación  presente en cualquier medio de transmisión hace que la energía de la señal decaída con la distancia. En medios guiados esta reducción de la energía es por lo general exponencial y, por lo tanto, se expresa generalmente como un número constante en decibelios por unidad de longitud .En medio no guiado, la atenuación es una función más compleja de la distancia y es dependiente, a su vez, de las condiciones atmosféricas.
Una señal analógica es un tipo de señal que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud en función del tiempo.
La señal digital es la representación de una señal analógica mediante valores discretos. Los sistemas digitales, como por ejemplo una computadora, usan lógica de dos estados representados por niveles de tensión eléctrica, uno alto, y otro bajo. Dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. El nivel alto se representa  por 1 y el bajo 0.

Ventajas de las señales digitales sobre las analógicas:

a) cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales .B) cuenta con sistemas de detección  y errores , que se utilizan cuando la señal llega al receptor; entonces comprueban la señal, primero para detectar algún errores detectados previamente. C) facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.  d) es posible aplicar técnicas de compresión de taos sin perdidas o técnicas de compresión con perdidas basados en la codificación. Desventajas de las señales digitales: a) se necesita una conversión analógico-digital previa y una decodificación posterior, el momento de la recepción. B) si no se emplea un numero suficiente de niveles de cuantificación en el proceso de digitalización, la relación señal/ruido resultante se reducirá con la relación a la señal analógica original que se cuantifico. Esto es conocido como error de cuantificación, c) se hace necesario emplear siempre un filtro activo analógico paso bajo sobre la señal a muestrear con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing.

Conversión Analógico DIGITAL

Transmisión de señales digitales:

Los pasos para una conversación de una señal analógica en otra digital son los siguientes:

1Muestreo:

El muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de la amplitud de la señal analógica. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el numero de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.

2Cuantificación:

En el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida.

3Codificación:

La codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario.Durante el muestreo, la señal aun es analógica, puesto que aun puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores finitos, la señal ya es digital.
Se define como error de cuantificación o ruido de cuantificación al error que inevitablemente se comete al cuantificar y codificar. Dado que en la señal analógica tengo infinitos valores posibles y al codificar no tengo infinitas posibilidades de valores digitales a asignar, tendré unos márgenes de error inevitables.A mayor numero de bits empleados en la codificación, menor será ese ruido “generado”, pero más complicado será el proceso de transmisión y recepción y menor el ancho de banda a transmitir como ya veremos.
Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, para poder replicar con exactitud la señal original, es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble es la máxima frecuencia de la señal original.Para la conversión adecuada de analógico a digital de una señal de voz (en el caso de señales de telefonía por ejemplo van entre 300 y 3400 Hz) se utilizan 8000 muestras por segundo.Es decir que si muestreamos la señal con una frecuencia de 8000 muestras por segundo y la codificamos con 8 bits a cada muestra (para no tener demasiado ruido de cuantificación), tendremos:Ancho de Banda Digital = 8000 (m/s) x 8 (bits/m) = 64000 (bits/s) =64 Kbits/s.
En audio, la máxima frecuencia perceptible para el oído humano joven y sano está en torno a los 20 KHz, por lo que teóricamente una frecuencia de muestreo de 40 KHz sería suficiente para su muestreo; no obstante, el estándar introducido por el CD, se establecíó en 44100 muestras.