Publicado el15 octubre, 2018porJose Francisco|Comentarios desactivados en Amplificación (2): Ancho de Banda, Impedancia y Distorsión
Con la ayuda inestimable del Canal de Youtube ElectrónicaFP, en esta entrada trataremos de responder a las siguientes preguntas respecto del Ancho de Banda:
¿Qué es la respuesta en frecuencia?
¿Qué es el Ancho de Banda o Bandwidth?
¿Cómo se calcula?
También hablaremos de:
la Impedancia (de entrada y salida) en dispositivos amplificadores, y
La Ganancia es la proporción entre el nivel de salida y el nivel de entrada. La Ganancia entonces se expresa en "veces", lo que no tiene unidad; si la Ganancia expresa el nivel de salida respecto de un nivel específico referencia (que no tiene porqué ser la unidad de medida) entonces se dice que la Ganancia es de x veces sobre el valor de referencia.
Ganancia en Tensión
Si tratamos de tensión de salida de un amplificador, Vout, comparándola con la tensión de entrada, Vin, tendríamos la Ganancia en Tensión:
Vout donde ΔV es la Ganancia en Tensión ΔV = ——— Vin
Ganancia en Intensidad
Si comparamos la intensidad de salida un amplificador, Iout, frente a la intensidad de entrada, Iin, tendríamos la Ganancia en Intensidad:
Iout donde ΔI es la Ganancia en Intensidad ΔI = ——— Iin
Ganancia en Potencia
Si comparamos la potencia de salida de salida, , respecto de la potencia de entrada, lo que tendríamos sería la Ganancia en Potencia:
Pout donde ΔP es la Ganancia en Potencia ΔP = ——— Pin
El decibelio es una unidad logarítmica que nos permite representar de una manera cómoda el cociente o proporción entre diferentes valores muy dispares entre sí. Este tipo de representación se utiliza cuando el parámetro a considerar (nivel de Ganancia, tensión, potencia, nivel de sonido, etc) puede tener variaciones muy amplias, por ejemplo, desde 1 hasta 1.0.0000.0000 y queremos representarlo con un número más sencillo.
También hay que tener en cuenta que nosotros, como animales, hemos evolucionado de modo que no captamos los valores de los parámetros como nivel de luminosidad, de sonido, de presión, etc de modo lineal: el doble de cantidad luz no lo sentimos sino como un poco más de luz; lo mismo pasa con el sonido: para que valoremos el doble de nivel de presión sonora de un fenómetro sotre otro hay que casi multiplicar por 10 el valor real del nivel de presión sonora de referencia. El decibelio es una forma de expresar una magnitud física que nosotros, como humanos, valoraremos de una forma más natural.
Luego, el decibelio es una comparación entre 2 magnitudes:
la magnitud a evaluar; por ejemplo la potencia P2
la referencia para evaluar la magnitud; puede ser otra P1 o una de referencia PREF
Si la magnitud que deseamos expresar es Potencia eléctrica:
P2ΔP [dB] es el Incremento/Ganancia en Potencia ΔP [dB] = 10 x log ——- expresado en dB, que tiene P2 sobre P1
P1
¿Y porqué ponemos el 10x en lugar de poner el log… nada más? pues porque la fórmula sin el x10 nos daría Belios, y el Belio es una cantidad de valor muy muy grande; por lo que se utiliza normalmente multiplicado x10, que entonces serían deciBelios, dB.
Si ponemos una PREF como valor P1, entonces obtendríamos el Nivel de Potencia de P2 referido a PREF; ahora ya no es un valor relativo, sería un valor cuantificable de potencia espresado en dB.
Pues lo mismo podemos hacer con muchos otros parámetros físicos, en nuestro caso relacionados con la electrónica o el sonido:
Si la magnitud que deseamos expresar es Voltaje eléctrico
VoutΔV [dB] es el Incremento/Ganancia en Tensión ΔV [dB] = 20 x log ——– expresado en dB, que tiene Vout sobre Vin Vin
Atento a que con voltaje (e intensidad) se pone x20 en lugar de x10, como se pone con potencia.
Y así podríamos hacer lo mismo con la Intensidad eléctrica, la Potencia del Nivel Sonoro, etc.
Hasta aquí una primera toma de contacto con los decibelios, ya que es un asunto que va a dar mucho de sí, sobre todo en el ámbito del Audio y las Telecomunicaciones.
La transformada de Fourier es una herramienta de uso diario para quienes trabajan con audio. En este post se propone analizarla desde una perspectiva analítica para lograr un mejor entendimiento.
Fue planteada por el matemático francés Joseph Fourier en el año 1822. Su interés no estaba centrado en el sonido ni mucho menos, sino en la transmisión de calor. En su libro “Teoría Analítica del Calor” planteó las bases del teorema que después se transformaría en una herramienta de gran importancia para las ciencias.
“Toda onda compleja periódica se puede representar como la suma de ondas simples.”
Seguramente muchos han leído este enunciado. Básicamente plantea que cualquier señal periódica (de la forma que sea) puede descomponerse como la suma de señales sinusoidales de distintas frecuencias.
Por ejemplo, en la animación se puede observar una señal “cuadrada” generada a partir de la suma de sinusoides puras.
Para el análisis supongamos que el segmento más largo se encuentra girando a 100Hz (en la animación gira mucho más lento). Si se observa con atención, se puede apreciar que el siguiente segmento realiza 3 vueltas por cada una del segmento largo. En nuestro ejemplo, si el largo realiza 100 ciclos por segundo, el siguiente realiza 300 ciclos por segundo, es decir, gira a 300Hz. Se puede también decir que el segundo segmento es un 3er armónico del primero (multiplica su frecuencia por 3).
Si prestamos atención al tercer segmento, veremos que realiza 5 vueltas por cada una del segmento largo. Es decir, gira a 500Hz y es un 5to armónico del primero. Por último, el cuarto segmento gira 7 veces, en nuestro ejemplo serían 700Hz y corresponde con un 7mo armónico.
Podemos notar que estamos adhiriendo armónicos impares consecutivos: 1ro, 3ro, 5to y 7mo. Si pudiéramos sumar infinitos armónicos con esta condición podríamos construir una onda cuadrada casi perfecta.
Al graficar cada segmento en función de la frecuencia (respetando su amplitud), se obtiene el espectro en frecuencia de la señal compleja.
Esto es posible de lograr con cualquier señal periódica y es el principio que utiliza un analizador de espectro o los sintetizadores que funcionan por adición. La condición de periodicidad es fácil de evadir si consideramos un período suficientemente largo que contenga la señal entera.
análisis de Fourier de distintas formas de onda
El mayor auge de esta herramienta no fue hasta que la computación avanzó lo suficiente para facilitar los cálculos, no tiene mucho sentido descomponer una señal “a mano”. La transformada rápida de Fourier (FFT de Fast Fourier Transform) es el algoritmo que permite obtener los coeficientes de una serie de Fourier de forma rápida y, hoy en día, es usada en la mayoría de los software de audio conocidos.
El análisis de Fourier funciona en una gran cantidad de sistemas en nuestra vida cotidiana. Se hace presente en sistemas de Comunicaciones, en Ingeniería de Control, en Ingeniería Mecánica, en Campos Electromagnéticos, en Procesamiento de señales de audio, en Procesamiento de imágenes e incluso en el área médica para procesar imágenes generadas por ecogramas, resonancia magnética, tomografías, etc.
Publicado el26 septiembre, 2018porJose Francisco|Comentarios desactivados en Las 3 configuraciones básicas de los transistores (BJT)
Los transistores bipolares son amplificadores de corriente ideales. Cuando se aplica una pequeña señal al terminal de entrada, en los terminales de salida aparece una reproducción ampliada de esta corriente. Aunque la señal de entrada puede acoplarse al dispositivo de varias formas, solamente las tres configuraciones básicas (base común, emisor común y colector común) resultan útiles en la práctica.
fig. 1 Resumen de configuraciones de los transistores
[CLIC sobre la imagen PARA VERLA MÁS GRANDE]
Montaje en Base Común
En la figura 2 se muestra un amplificador base común práctico. La señal se inyecta al emisor a través de Ci y se extrae amplificada por el colector vía Co. La base, conectada dinámicamente a tierra a través de Cb, actúa como elemento común a los circuitos de entrada y de salida. Las señales de entrada y de salida siempre están en fase.
fig. 2. Amplificador en base común
Los condensadores Ci y Co actúan como condensadores de paso o de acoplamiento. Su objetivo es eliminar el nivel de corriente continua presente a la entrada o a la salida y transferir sólo las señales de audio propiamente dichas. El condensador Cb actúa como condensador de deriva (bypass). Su objetivo es mantener estable el voltaje de polarización de la base, enviando a tierra cualquier variación. Las resistencias RB1, RB2, RC y RE polarizan correctamente las uniones del transistor y fijan el punto de trabajo del amplificador.
El circuito presenta una baja impedancia de entrada (entre 0.5 Ohm y 50 Ohm) y una alta impedancia de salida (entre 1 kOhm. y 1 MOhm). Las ganancias de voltaje y de potencia pueden ser altas, del orden de 150 o más, dependiendo de la Beta del transistor. La ganancia de corriente es inferior a 1 (entre 0.95 y 0.995).
Montaje en Emisor Común
En la figura 3 se muestra un amplificador emisor común práctico. La señal se inyecta a la base a través de Ci y se recibe amplificada del colector vía Co. El emisor, conectado dinámicamente a tierra a través de ce, actúa como elemento común a los circuitos de entrada y de salida. Observe que en este modo de conexión, las señales de entrada y de salida siempre están en oposición de fase.
fig. 3. Amplificador en emisor común
Nuevamente, Ci y Co actúan como condensadores de acoplamiento y ce como condensador de deriva. Las resistencias RB1, RB2, RC y RE polarizan adecuadamente el transistor y fijan su punto de trabajo. Note que este circuito, como el anterior, utiliza la estrategia de polarización universal o por divisor de voltaje.
La impedancia de entrada de este montaje es del orden de 20 W a 5 kW. y la impedancia de salida del orden de 50 W a 50 kOhm,. El circuito proporciona simultáneamente ganancia de corriente y de voltaje. La ganancia de potencia puede llegar a ser relativamente alta, del orden de 10.000. Típicamente, la ganancia de corriente es el orden de 50. Esta es la configuración más utilizada en la práctica.
Montaje en Colector Común
En la figura 4 se muestra un amplificador colector común práctico. La señal se introduce por la base a través de Ci y se extrae por el emisor vía Co. El colector, conectado dinámicamente a tierra a través de Ce, actúa como elemento común a los circuitos de entrada y de salida. Las señales de entrada y de salida siempre están en fase. El montaje se denomina también seguidor de emisor.
El amplificador colector común se caracteriza por tener una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. La ganancia de voltaje es siempre menor que 1 y la de potencia es normalmente inferior a la que se obtiene con las configuraciones base común o emisor común. Este montaje se utiliza principalmente como adaptador de impedancias.
fig. 4. Amplificador en colector común
Montaje como Amplificador Diferencial
Una variación importante de los tres tipos fundamentales de amplificadores discutidos anteriormente es el amplificador diferencial. En este caso, el voltaje de salida es proporcional a la diferencia, con respecto a tierra, entre los voltajes aplicados a los terminales de entrada. En la figura 5, por ejemplo, se muestra un amplificador diferencial clásico con entradas y salidas balanceadas.
fig. 5. Amplificador diferencial
3 Configuraciones de los transistores de unión bipolares (BJT)
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