¿Qué es la respuesta de frecuencia de un amplificador?
La ganancia de voltaje de un amplificador varía con la frecuencia de la señal debido al efecto de las variaciones en la reactancia capacitiva del circuito con frecuencia de señal en el voltaje de salida.
La curva dibujada entre la ganancia de voltaje y la frecuencia de la señal de un amplificador se conoce como respuesta de frecuencia.
Si el voltaje de entrada de un amplificador se mantiene constante pero su frecuencia varía, se observa que la ganancia del amplificador
- permanece prácticamente constante en un rango considerable de frecuencias medias.
- cae a frecuencias bajas y altas, debido a los efectos explicados a continuación:
El rendimiento de un amplificador depende en gran medida de su respuesta de frecuencia. En el diseño de un amplificador de CA, se toman medidas apropiadas para garantizar que la ganancia sea esencialmente uniforme en algún rango de frecuencia especificado.
En la figura 15.1 se muestra un gráfico típico de un voltaje de salida del amplificador de CA o una frecuencia trazada versus frecuencia. Se encuentra que la salida normalmente permanece constante en un rango medio de frecuencias y cae a frecuencias bajas y altas.
La ganancia sobre este rango medio se denomina ganancia de frecuencia media. La baja frecuencia y la alta frecuencia a la que cae la ganancia en 3 dB se designan F1 y F2 respectivamente.
Este rango normalmente se considera el rango útil de la respuesta de frecuencia operativa de un amplificador, y la diferencia de frecuencia (F2 – F1) se denomina ancho de banda del amplificador.
Las frecuencias F1 y F2 se denominan frecuencias de -3 dB, frecuencias de 3 dB de 3 dB o frecuencias de pérdida de 3 dB porque la potencia de salida es -3 dB desde su nivel normal cuando P2 es la mitad de P1. Los puntos A y B en la Fig. 15.2 se denominan 3 dB (a veces -3 dB) o puntos de media potencia.
Cuando la salida del amplificador se expresa como un voltaje en el gráfico de respuesta de frecuencia de un amplificador, los puntos de 3 dB (F1 y F2) ocurren cuando V2 es 0.707 V1.
A bajas frecuencias, las ganancias de voltaje caen porque los condensadores de acoplamiento y omisión ya no actúan como cortocircuitos. En cambio, sus reactancias capacitivas son lo suficientemente grandes como para soltar parte del voltaje de la señal de CA. El resultado es una pérdida de ganancia de voltaje a medida que nos acercamos a cero hertz (0 Hz).
A altas frecuencias, la ganancia de voltaje cae por otras razones. Todos los transistores tienen capacitancias entre sus terminales, conocidas como capacitancias internas, como se ilustra en la figura 15.3 (a). Estas capacitancias proporcionan ruta de derivación para la señal de CA.
Con el aumento de la frecuencia, las reactancias capacitivas se vuelven lo suficientemente bajas (XC α 1/F) para evitar la acción normal del transistor. El resultado es una pérdida de ganancia de voltaje.
La capacitancia de cableado callejero es otra razón para una pérdida de ganancia de voltaje a altas frecuencias [Fig. 15.3 (b)]. Cualquier cable de conexión en un circuito de transistor actúa como una placa de un condensador, y el terreno del chasis actúa como la otra placa.
La capacitancia de cableado callejero que existe entre este cable y tierra no está deseada. A frecuencias más altas, su baja reactancia capacitiva evita que la corriente de CA alcance la resistencia de la carga. Esto es equivalente a decir que la ganancia de voltaje cae.
Circuitos equivalentes de respuesta de frecuencia de un amplificador:
Cada condensador en un circuito es importante para solo un extremo del espectro de frecuencia. Es por eso que podemos desarrollar circuitos equivalentes específicos que se aplican al rango de baja frecuencia, a la banda media y al rango de alta frecuencia.
Los circuitos equivalentes utilizados para los cálculos en el rango de banda media son los mismos que los considerados hasta este punto del texto. Los condensadores de acoplamiento y derivación en esta región se tratan como cortocircuitos.
Las capacitancias internas perdidas y transistor se tratan como circuitos abiertos. En este rango de frecuencia, no hay capacitancias en el circuito equivalente. Estos circuitos se denominan circuitos equivalentes de banda media.
En el rango de baja frecuencia, los condensadores de acoplamiento y bypass se incluyen en los circuitos equivalentes y en las ecuaciones del factor de amplificación. Las capacitancias callejeras y transistor se tratan como circuitos abiertos.
Las expresiones matemáticas obtenidas para el factor de amplificación en este rango de frecuencia deben abordar los resultados de la banda media a medida que la frecuencia F se acerca al rango de frecuencia de la banda media, ya que en este límite los condensadores se acercan a las condiciones de cortocircuito.
En el rango de alta frecuencia, los condensadores de acoplamiento y bypass se tratan como cortocircuitos. El transistor y cualquier capacidad parásita o de carga deben tenerse en cuenta en el circuito equivalente.
Las expresiones matemáticas obtenidas para el factor de amplificación en este rango de frecuencia deben abordar los resultados de la banda media a medida que la frecuencia F se acerca al rango de frecuencia de la banda media, ya que en este límite los condensadores se acercan a las condiciones de circuito abierto.
Frecuencias de corte y banda media:
Las frecuencias en las que la ganancia de voltaje es igual a 0.707 de su valor máximo se conocen como frecuencias de corte. En la figura 15.2, F1 es la frecuencia de corte inferior y F2 es la frecuencia de corte superior.
Las frecuencias de corte también se denominan frecuencias de media potencia porque la potencia de carga es la mitad de su valor máximo en estas frecuencias.
La banda media de un amplificador se define como la banda de frecuencias entre 10F1 y 0.1F2. En la banda media, la ganancia de voltaje del amplificador es aproximadamente máxima, designada por AVM. Tres características importantes de cualquier amplificador de CA son su AVM, F1 y F2.
Si se conocen estos valores, sabemos cuánta ganancia de voltaje hay en la banda media y dónde la ganancia de voltaje se ha reducido a 0.707 AVM.
Fuera de la banda media:
Aunque un amplificador normalmente funciona en el rango de frecuencia de la banda media, pero a veces debemos conocer la ganancia de voltaje fuera de la banda media. La ganancia de voltaje (valor aproximado) de un amplificador de CA se puede calcular a partir de la relación.
Conociendo los valores de AVM, F1 y F2, se puede determinar la ganancia de voltaje a cualquier frecuencia F. La ecuación anterior supone que un condensador dominante está produciendo la frecuencia de corte inferior, y un condensador dominante está produciendo la frecuencia de corte superior.
Un condensador dominante es uno más importante que todos los demás para determinar la frecuencia de corte.
La ecuación (15.1) no es tan formidable como aparece por primera vez. Solo hay tres rangos de frecuencia para analizar: la banda media, debajo de la banda media y por encima de la banda media. En la banda media F1/F ≈ 0 y F/F2 ≈ 0. Por lo tanto, ambos radicales en la ecuación. (15.1) son aproximadamente unidad, y la ecuación. (15.1) Simplifica a:
Middband:
Debajo de la banda media, f/f2 ≈ 0. En consecuencia, el segundo radical es igual a 1 y la ecuación. (15.1) Simplifica a:
Debajo de la banda media:
Por encima de la banda media, F1/F ≈ 0. En consecuencia, el primer radical es igual a 1 y la ecuación. (15.1) Simplifica a:
Por encima de la banda media:
