“AÑO DE LA PROMOCIÓN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMÁTICO”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
ANALISIS Y DISEÑO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS
DISEÑO Y ANALISIS DE UN AMPLIFICADOR MONO-ETAPA
Profesor: Capcha Buiza Pedro.
Sección: A
Integrantes:
Chavez Chavez, Jhonatan 20131044f
Gonzales Mera José Alfredo Junior 20131227C
Mondragón Silva Sergio Alexander 201322597l
Santos Carrión Ronald Fernando 20131034k
Vargas Peña Luis 20131006g
Lima 11 de Septiembre de 2015
INTRODUCCIÓN
En el presente informe haremos un estudio de los transistores BJT como amplificadores
usando tres tipos de circuitos:
- Amplificador mono etapa.
- Amplificador cascada.
- Amplificador Darlington.
En los tres tipos de circuitos antes mencionados observaremos la ganancia en cada
transistor y la ganancia total del circuito, además obtendremos los puntos de operación de
cada transistor, todos estos datos los podremos contrastar con los datasheets y con los datos
obtenidos teóricamente antes de realizar el presente informe. Todo esto nos ayudara a
familiarizarnos con el diseño y uso de los transistores BJT.
OBJETIVOS
- Polarizar y construir un circuito amplificador mono etapa basado en un
transistor mono etapa.
-
- Medir experimentalmente los parámetros de la ganancia de tensión y corriente,
impedancia de entrada y de salida que van a caracterizar la etapa justificando
las desviaciones existentes con los valores obtenidos en forma teórica.
- Construir un circuito amplificador mono etapa.
- Implementar un circuito amplificador cascada.
- Implementar un circuito amplificador Darlington.
FUNDAMENTO TEORICO
Darlington.
Una conexión de transistores en Darlington, como se muestra en el circuito de la figura I, utiliza un par de transistores BJT con ganancias β1 y β2, respectivamente un solo encapsulado con un beta efectivo βD = β1 * β2.
Utilizar un transistor Darlington para construir un seguidor de emisor, hace que este tenga una impedancia de entrada mayor que si se construyera con un transistor convencional, dado que:
Zi=Rb∨¿ (βdRe )(1)
Mientras que la impedancia de salida queda dada por:
Zo=ℜ(2)
La ganancia de voltaje (Av) queda dada por (3):
𝐴𝑉 = 𝑅𝐸 𝑅𝐸 + 𝑟𝑒 (3)
Av= ℜℜ+ℜ(3)
Figura I: Transistor Darlington en configuración seguidor de emisor
Cascada. En este tipo de circuito, como se muestra en la figura II, provee un amplificador de emisor común (AEC) conformado por el transistor Q1, directamente conectado a un amplificador de base común (ABC) conformado por Q2. La ganancia de voltaje dada por AEC es aproximadamente 1 pero con carácter inversor: AV1=-1. Mientras que la ganancia de voltaje dada por el ABC es: AV2= RC/re2 La ganancia de voltaje total queda dada por (4):𝐴𝑉 = − 𝑅𝐶 𝑟𝑒2 (4)
Av=−RcRc2
Donde re se usa para denotar la resistencia dinámica del transistor y se calcula como: re=26mV/IE.
Monoetapa. Se plantea ahora a estudiar la forma de diseñar etapas amplificadoras con un solo BJT, y dentro de las tres configuraciones posibles se escoge la de emisor común por ser la etapa amplificadora con mejores características globales: ganancia de tensión e impedancia de entrada.
La polarización más adecuada de un BJT es con divisor de tensión en base y resistencia de emisor, la resistencia de colector no es necesaria en la configuración de colector común, pero si lo es en la de emisor común.
Se analizará la configuración de emisor común como amplificador. Según muestra la figura a, en un principio se desacopla la resistencia de emisor con un condensador tal que a las frecuencias de trabajo su impedancia sea despreciable, y por tanto en régimen dinámico mantiene constante la tensión en el emisor. A la hora de hacer el análisis en alterna, el emisor estará conectado a tierra ya que en alterna el condensador cortocircuita a RE. La forma de calcular el valor del condensador de desacoplo de la resistencia de emisor, condensador de desacoplo es el nombre que se suele utilizar para los condensadores que realizan este tipo de función, se pospone para los problemas.
Los condensadores de paso Ci y Cs, se estudiarán con la respuesta en frecuencia del amplificador.
Figura a
- Punto de funcionamiento en la configuración de emisor común.
La elección del punto de funcionamiento necesita una discusión muy detallada, que aquí se
limitará a dar los elementos más importantes del planteamiento básico En primer lugar el
punto de funcionamiento en continua se define mediante la selección de las resistencias R1,
R2, RE, RC y VCC, aunque el valor de la fuente de alimentación, VCC, se supone normalmente que
se parte de un valor estándar, p.e. 10 V. Si se escogen RE y RC, se está eligiendo una recta de
carga estática determinada. En el gráfico de las curvas de salida del transistor que se esté
usando, 2N2222 en este caso, la recta de carga estática irá desde el punto VCE = VCC en el eje X,
hasta el punto IC = VCC/ (RE + RC) en el eje Y, tal como muestra la figura b. En qué punto de esta
recta de carga estática estará el punto de funcionamiento estático, punto Q, lo definirá el valor
de la corriente de base seleccionada, lo cual se consigue, una vez elegidas RE y RC, mediante la
elección de R1 y R2.
Figura b
La recta de carga estática que aparece en la figura b, correspondería a una elección de VCC =
10V, RE = 1k y RC = 2k. La elección de RE y RC viene condicionada por la ganancia de tensión
seleccionada para el amplificador, RE según se verá posteriormente no tendrá que ver con la
ganancia de tensión si está desacoplada. La elección del punto de funcionamiento sobre la
recta de carga debe hacerse de forma que éste esté algo centrado en ella. Lo de algo no es
precisamente una forma de expresarse muy correcta, científicamente hablando, pero la razón
de que no debe estar totalmente centrado en la recta de carga estática, se comprenderá
cuando se introduzca el concepto de recta de carga dinámica.
Figura c
Una vez ajustado el punto de funcionamiento se pasa a analizar el comportamiento dinámico
del circuito, es decir su comportamiento como amplificador de señales variables que atacan su
entrada, que suministra el generador Vg con resistencia interna Rg. Se inicia el análisis a
frecuencias medias, es decir a aquellas en que los condensadores que encuentra en serie la
señal, Ci y CS, tienen una impedancia despreciable frente a las impedancias que tienen en serie.
Aplicando el modelo de los parámetros híbridos, figura d:
Figura d
(1)- Afín de no complicarse con procesos de cálculo engorrosos y que poco aportarían al conocimiento
de estos amplificadores, no se va a plantear el cálculo explícito de cuál ha de ser el punto idóneo de
funcionamiento del BJT.
Donde Rb es la resistencia equivalente del paralelo de R1 y R2.
En primer lugar se ha de simplificar el circuito de la figura e ya que el parámetro hre tiene un
valor muy pequeño y por tanto se puede considerar que su contribución es despreciable.
Igualmente dado que habitualmente la resistencia (1/hoe) es mucho mayor que RC se la puede
ignorar. Por tanto el circuito simplificado será el de la figura e:
Figura e
Las señales de entrada y salida serán:
La ganancia de tensión:
De la ecuación de conducción del diodo base-emisor:
y de la definición del parámetro hie:
-
EQUIPOS Y MATERIALES
- 2 transistores 2N2222.
- 3 transistores BC142.
- Resistencias según los circuitos.-
-
- Capacitores según los circuitos.
PROCEDIMIENTO
- Arme los circuitos de las figuras: 1, 2 y 3.
- Mida las tensiones y corrientes correspondientes de cada transistor en cada circuito
(en DC).
- Mida con el osciloscopio las tensiones pico a pico, de salida de cada transistor.
- Anote todo los valores medidos.
- En forma teórica hallar en punto de operaciones de los circuitos Darlington y cascada.
- Para el circuito en cascada, hallar la ganancia de tensión Av.
Montaje fig 01
Montaje fig 02
DATOS Y RESULTADOS
Vpp en la salida de Q1 a 1Khz. = 660 uV Ganancia de tensión: 66
Vpp en la salida de Q2 a 1Khz.= 50mV Ganancia de tensión: 83.3
Vin 100 uV 100 uV 100 uV 100 uV 100 uV 100 uV 100 uV 100 uV 100 uVF 100 Hz 400 Hz 700 Hz 1 KHz 2 KHz 10 KHz 100 KHz 1 MHz 12 MHzVoAv 500 5300 10600 14550 20300 23500 21000 4700 390
Q1 Q2Vce Vbe Ic Ib Vce Vbe Ic Ib17.69 0.45 4.52x10-7 3.28x10-9 18.28 0.59 0.114 mA 4.56x10-7
Circuito 3
TRANSISTOR Vbe Ib Vce Ic
Q1 0.65 5.7uA 2.69 0.69mA
Q2 0.64 4.7uA 9.96 0.61mA
Q3 -4.5 1.1uA -4.9 2.8uA
1.- Dibujar las formas de onda en la salida de Q2 y en la resistencia R5:
A continuación se observa las gráficas de las salidas de Q2 (color amarillo) y en la resistencia R5 (color celeste)
2. Anotar el voltaje pico a pico de salida.
85mV/-85mV
3. La ganancia de voltaje es: