20 de agosto de 2011

Notas Técnicas: Amplificación | Etapa de Salida: Distorsión

Amplificación | Etapa de Salida: Distorsión
Ver nota anterior: Introducción

Las etapas de salida se construyen con elementos imperfectos, y sus imperfecciones se derivan de las de los elementos. En este documento sólo trataremos etapas de salida con transistores, así que definiremos las causas de distorsión principales.

Los transistores son dispositivos que controlan la conducción de corriente en un único sentido, y aunque algunos tipos se puede controlar por corriente, normalmente sólo se controlan por voltaje. Lo ideal sería que esta corriente fuese proporcional a la tensión de control, pero esto no es asi.

Para empezar la corriente no sigue una relación lineal con la tensión de control, sino exponencial o cuadrática, y esto será una causa de distorsión, aunque en las partes asintóticas de la función de transferencia se aproximen a una recta, lo que si es suficiéntemente lineal en rangos concretos. Cuando la corriente entregada por el dispositivo tiende a cero aumenta la alinealidad, y por lo tanto, la distorsión.

También existe una restricción más, y consiste en que es necesaria una mínima tensión de control para que el dispositivo empiece a conducir, y esto tampoco cumple la relación de proporcionalidad. Esto agravará la distorsión comentada en el párrafo anterior. En las etapas push-pull la corriente positiva la entrega un transistor, o un conjunto de ellos, mientras que la corriente negativa la absorve otro grupo. Se suele cumplir que cuand
o un transistor o grupo conduce, el otro transistor o grupo está en corte, es decir, que
inevitablemente se pasa por esas dos alinealidades cuando la corriente entregada cambie de sentido, que tiene lugar cuando la tensión a la salida pasa por los cero voltios, en sentido ascendente o decendente. Esta distorsión se denomina distorsión de cruce por cero.

En los transistores bipolares existe otro fenómeno que causa distorsión, y es que aunque la corriente de colector es una función exponencial de la tensión de control, sólo se cumple en un margen determinado. Una vez superado un cierto valor, el incremento de la corriente se reduce para un mismo incremento de la tensión de control. La asíntota se curva y la pendiente deja de aproximarse a una recta. Se denomina distorsión de gran señal.

Veamos dos funciones de transferencia de corriente de colector/drenador frente a tensión de control:


A la derecha vemos una curva de transferencia de un transistor bipolar. Se puede ver que la mínima tensión de control para que se pro
duzca conducción está entre 0,4 y 0,7V, dependiendo de la temperatura. Entre 0 y 2 Amperios, la corriente crece siguiendo una curva frente a la tensión de control, y entre 2 y 8 Amperios se puede aproximar a una recta. A partir de ahí se produce la caída en la pendiente que hemos mencionado.





En la gráfica de un mosfet podemos ver algo semejante, salvo porque la tensión mínima para empezar a conducir es algo mayor, entre 1 y 2V, también dependiente de temperatura.


Esta cifra varía según el transistor empleado, habitualmente está entre 3 y 4 V. Entre 0 y 1 Amperios la corriente crece también siguiendo una curva frente a la tensión de control, de 1 a 5 A se puede aproximar a una recta por tramos, y a partir de 5 A se obtiene casi una recta perfecta, sin reducción de la pendiente.



Otra causa de distorsión en los transistores bipolares es que por el terminal de control, la base, se demanda una corriente proporcional a la de colector, que sigue una proporción más o menos constante llamada beta. Por este motivo requieren que el terminal de control sea controlado a su vez por otro transistor, lo que se conoce como par Darlington. Lógicamente se sumarán las distorsiones de cruce.


Hemos dicho que la corriente de base es proporcional a la de colector, y es cierto salvo cuando se supera un cirto límite a partir del cual se produce la reducción de beta y se demanda una corriente importante a la sección de ganancia en voltaje, cuya impedancia de salida es alta y de forma por supuesto alineal. Esta es otra causa de distorsión.

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