S. E. P.
D.G.E.S.T. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA (ÁREA ELECTRÓNICA)
LABORATORIO DISEÑO CON TRANSISTORES
PRÁCTICA #1 AMPLIFICADOR DE UNA ETAPA
EQUIPO No.: 08 INTEGRANTES: Cortes González teresita Isaac Téllez Jaime ____________________________ _________________________________________ _____________ Vo. Bo. M. C. Fernando Vera Monterrosas
PRÁCTICA #1 AMPLIFICADOR DE UNA ETAPA (Polarización, ganancias e impedancias)
OBJETIVO: El alumno comprobará el comportamiento del Transistor Bipolar en Corriente Directa mediante el uso de un Amplificador Emisor Común polarizado por divisor de voltaje y Máxima Variación Simétrica. Además comprobará su comportamiento en Corriente Alterna determinando las Ganancias Máxima, Mínima y Controlada y las Impedancias de entrada y salida del amplificador.
I DESARROLLO TEÓRICO I.1 MARCO TEÓRICO. Cuando se diseña un amplificador, ciertos parámetros deben considerarse pues son indispensables para el correcto funcionamiento del circuito. Dichos parámetros son, entre otros, el punto de operación, la ganancia de voltaje, la impedancia de salida y la impedancia de entrada.
Punto de operación de un transistor. Un transistor debe ser debidamente polarizado para que opere como amplificador. La polarización en CC se emplea para establecer en el transistor un conjunto de valores de CC fijos para los voltajes y corrientes de sus terminales conocido como punto de operación en CC o punto de operación (punto Q). Se debe ajustar el punto de operación en CC cuidadosamente de modo que las variaciones de la señal en la terminal de entrada se amplifiquen y reproduzcan con precisión en la terminal de salida. Si un amplificador no se polariza con voltajes de CC correctos a la entrada y salida, puede irse a saturación o a corte cuando se aplique una señal de entrada.
Impedancia de entrada. Se define como la resistencia de CA total, vista desde la fuente de entrada. Es deseable un alto valor de resistencia de entrada de modo que el amplificador no cargue en exceso a la fuente de señal. Para calcular este parámetro se desarrolla el modelo de parámetros r del transistor. Para la configuración en emisor común, polarizada por divisor de voltaje, la impedancia de entrada se obtiene con la siguiente fórmula:
[ ]
Si el circuito posee capacitor de puenteo en el emisor, el termino no se considera para calcular la impedancia de entrada. Para frecuencias menores a 100kHz, la impedancia de un transistor es puramente resistiva.
Impedancia de Salida. Para la configuración emisor común, la impedancia de salida se define como la resistencia vista desde el colector y es aproximadamente igual a la resistencia de colector.
Para las configuraciones de amplificador donde se de voltaje considerable, Zo deberá ser lo más pequeña posible, de esta forma, la mayor parte de la parte de la corriente de salida circula por ella y no por la resistencia de carga. Así, se obtiene el máximo voltaje posble entre las terminales de salida.
Ganancia de voltaje. Es la cantidad de veces en la cual se incrementará o amplificará la señal eléctrica introducida en la terminal de entrada del amplificador. La configuración de emisor común presenta una ganancia de voltaje elevada, y puede ser calculada mediante la siguiente fórmula:
Si el amplificador no tiene resistencia de carga o posee capacitor de puenteo en el emisor, los términos R L y R E se omiten de la formula.
I.2 DISEÑO. Calcule las resistencias de polarización, para máxima excursión simétrica para los datos que se especifiquen. Además obtenga , y . Considera la del generador de B.F. a utilizar de .
Cálculos para M.E.S. con
medida de 335 un de 18V y una de
Cálculo de
, y
Cálculos de , y sin C [ ] [ ]
E
, y , con control de ganancia [ ] [ ] Cálculos de R E para una ganancia
I.3 PREREPORTE. Simular en EWB, PSPICE o cualquier simulador que maneje, el circuito para determinar el punto de operación y sus ganancias e impedancias.
Simulación del punto de operación
Simulación de ganancia máxima (CE conectado)
Simulación de impedancia de entrada (CE conectado)
Simulación de impedancia de entrada (captura del osciloscopio)
Simulación de impedancia de salida (sin carga)
Captura del osciloscopio
Simulación de impedancia de salida (con carga)
Captura del osciloscopio
Simulación de ganancia mínima (CE no conectado)
Simulación de impedancia de entrada (CE no conectado)
Captura del osciloscopio
Simulación de ganancia controlada
Simulación de impedancia con ganancia controlada
Captura del osciloscopio
MATERIAL Y EQUIPO II.1 MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR.
Transistores bipolares con sus hojas de datos.
Resistencias, presets y potenciómetros.
Capacitores.
Tablilla de pruebas (Protoboard).
Alambre para interconexiones y puntas de prueba.
Fuente de Voltaje Regulada.
Multímetro Analógico o Digital.
Osciloscopio de Doble Trazo.
Generador de Baja Frecuencia.
II.2 PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS. 1. Diseñe un amplificador de Emisor Común polarizado por divisor de voltaje para M.E.S. como el mostrado en la Figura 1.1 para un transistor BC548, con medida de 335 un de 18V y una de . Tenga en cuenta que .
Figura 1.1 Amplificador Emisor Común polarizado por Divisor de Voltaje
2. Con el generador de funciones apagado y utilizando un Multímetro de CD realice las mediciones de todas las características de Corriente y Voltaje del amplificador y tabúlelos en la Tabla 1.1 junto con los valores teóricos, calculados y simulados.
Teóricos Simulados Prácticos
18V 2.50V 10.80V 1.80V 9.00V 5.00mA 5.01mA 14.85µA 18V 2.30V 10.56V 1.64V 8.92V 4.95mA 5.97mA 12.00µA 18.1 2.35V 10.53V 1.65V 8.90V 5.10mA 5.12mA 11.00µA Tabla 1.1 Comparación de resultados del Análisis de Polarización
3. Encienda el generador de funciones y aplique a la entrada una de . Con el osciloscopio mida simultáneamente a una frecuencia de
y ,
grafique y acote detalladamente las formas de onda de estas señales. Calcule la ganancia de voltaje, el desfasamiento , y tabúlelos en la Tabla 1.2 junto con los valores teóricos, calculados y simulados. Mida y observe la forma de onda en , grafique y acote detalladamente esta señal.
Teóricos Simulados Prácticos
28.846V -288.46 1.916V -196.03 (Vi =10mV) (Vi=10mV) No se pudo medir
Fase
180°
1.49kΩ
180°
1.30kΩ
1.25kΩ
180°
2.99kΩ
No se pudo medir
No se pudo medir
1.50kΩ
Tabla 1.2 Comparación de Ganancias e Impedancias del Amplificador,
Gráfica de
y con C
E conectado
En esta captura del osciloscopio se aprecia el efecto amplificador del circuito armado. Teóricamente, el amplificador diseñado, puede proporcionar una ganancia de voltaje igual a -288.46. Lo anterior significa que, si el voltaje de entrada es de 100mV, a la salida se espera tener un voltaje 288.46 veces mayor, pero desfasado 180°. En la práctica el voltaje de salida esperado sería, dada una entrada de 104mV, 29.99V; como el voltaje de alimentación Vcc solo llega a 18V, la onda de salida se recorta. Como el amplificador fue
diseñado para máxima excursión simétrica, la onda se recorta al mismo nivel tanto en su parte positiva como en la negativa. Así mismo, se observa un desfasamiento de 180°. La salida que se presenta en esta imagen es la esperada, dadas las características del amplificador y la amplitud de la señal de entrada.
Gráfica de voltaje en R E con CE conectado
Cuando en el circuito diseñado originalmente, la señal de salida se toma de la terminal de base, en lugar de la terminal de colector del transistor, el amplificador se convierte en uno denominado colector común. Una característica de dicho tipo de configuración es que la ganancia de voltaje es aproximadamente igual a 1. En esta captura del osciloscopio se presenta la señal se entrada comparada con la señal de salida. Se puede notar que la señal de salida esta atenuada en lugar de estar amplificada. El resultado obtenido era el esperado, puesto que la configuración colector común no se usa como amplificador sino como adaptador de impedancias. La distorsión presente en la señal de salida se debe a la presencia de un capacitor electrolítico. 4. Conecte un potenciómetro en serie con la entrada, como indica la Figura 1.2. Conecte el canal 1 del osciloscopio para medir la salida del generador y el canal 2 a la entrada del circuito, antes de . Varíe el potenciómetro hasta que el voltaje aplicado al circuito sea la mitad del entregado por el generador, grafique y acote detalladamente las formas de onda de estas señales. Levante el potenciómetro y mida el valor ajustado de la resistencia. Este valor será . Anótelo en la Tabla 1.2 y reponga la conexión del generador.
Figura 1.2 Circuito para medir
5. Conecte un potenciómetro a la salida, como lo indica la Figura 1.3. Conecte el osciloscopio en paralelo con el potenciómetro y varíe éste hasta que la lectura de sea la mitad de la obtenida sin el potenciómetro, grafique y acote detalladamente la forma de onda de esta señal. Retire el potenciómetro y mida la resistencia ajustada; este valor será . Anótelo en la Tabla 1.2. No conecte otra vez el potenciómetro.
Figura 1.3 Circuito para medir
6. Desconecte el capacitor y con el generador de funciones aplique a la entrada una de . Con el osciloscopio mida simultáneamente a una frecuencia de
y , grafique
y acote detalladamente las formas de onda de estas señales. Calcule la ganancia de voltaje , el desfasamiento , y tabúlelos en la Tabla 1.3 junto con los valores teóricos, calculados y simulados. Mida y observe la forma de onda en , grafique y acote detalladamente esta señal. Repita los puntos 4 y 5, y tabule los resultados en la Tabla 1.3.
Fase
Teóricos 447.5mV -4.475 180° 1.50kΩ 9.46kΩ Simulados 440.73mV -4.429 180° 7.60kΩ 1.25kΩ Prácticos 440.00mV -3.928 180° 8.86kΩ 1.60kΩ Tabla 1.3 Comparación de Ganancias e Impedancias del Amplificador, sin
Grafica de
y , sin C
E
En esta captura del osciloscopio se observa el efecto que produce retirar el capacitor de bypass de la terminal de emisor. Cuando no existe dicho capacitor, la corriente de AC recorre la resistencia de emisor en lugar de pasar directamente a tierra a través del capacitor, como resultado la impedancia de entrada del amplificador aumenta y la ganancia disminuye significativamente. De acuerdo con los cálculos teóricos, cuando el capacitor de bypass es eliminado, la ganancia de voltaje del amplificador es igual a -4.475. En la práctica se obtuvo una ganancia igual a -3.928 y un desfasamiento de 180°, valores razonablemente cercanos a los cálculos teóricos.
Gráfica de voltaje en R E
Como se menciono anteriormente, cuando en este tipo de amplificador se toma la señal de salida de la terminal de emisor, en lugar de la terminal de colector, se tiene una configuración colector común. La característica principal las configuraciones CC es que su
ganancia de voltaje es aproximadamente igual a 1. En esta captura se demuestra lo anterior, pues se aprecia que la señal de salida es casi idéntica a la de entrada, solo difieren por unos cuantos milivolts.
simultáneamente y , grafique y acote detalladamente las formas de onda de estas señales. Calcule la ganancia de voltaje, , y el desfasamiento, , y tabúlelos en la Tabla 1.4 junto con los valores teóricos calculados y simulados. Mida y observe la forma de onda en , grafique y acote detalladamente esta señal.
7. Calcule para una ganancia de voltaje, , de y sustituya el circuito de control de ganancia en la Figura 1.1. Encienda el generador de funciones y aplique a la entrada una de . Con el osciloscopio mida a una frecuencia de
Repita los puntos 4 y 5, y tabule los resultados en la Tabla 1.4.
Fase
Teóricos -0.966V -9.66 180° 8.60kΩ Simulados -0.936V -9.36 180° 8.60kΩ Prácticos -0.920V -8.84 180° 7.95kΩ Tabla 1.4 Comparación de Ganancias e Impedancias del Amplificador, con
1.50kΩ
1.50kΩ 1.42kΩ
Grafica de
y , sin C
E
La captura anterior muestra el efecto de introducir un circuito de control de ganancia en la terminal de emisor. La técnica es conservar la resistencia de CD igual para mantener el punto de operación, pero modificar la resistencia de AC colocando dos resistencias en serie con un capacitor conectado en paralelo con la segunda. En los cálculos teóricos se esperaba una ganancia de -9.66, usando valores comerciales de resistores. En la práctica se obtuvo una ganancia de -8.84. Así mismo, se observo una disminución en la impedancia de entrada con respecto a la configuración donde no se usa capacitor.
III CUESTIONARIO 1. ¿En dónde se encuentra localizado el punto de operación para M. E. S.? e . R: Para máxima excursión simétrica 2. ¿Por qué la configuración estudiada se llama emisor común?
R: Porque la señal de entrada y la señal de salida tienen en común la terminal de emisor, que generalmente se conecta a tierra.
3. Razonar por qué se puede considerar al circuito como dos independientes, uno para c.c. y otro para c.a. R: Porque el transistor es un dispositivo lineal para la mayoría de las aplicaciones y por lo tanto se le puede aplicar el teorema se superposición para separar el análisis de AC del de CD.
4. ¿Qué influencia tiene sobre el comportamiento del circuito la Resistencia de Emisor? R: La resistencia de emisor influye en la impedancia de entrada del circuito (si no hay capacitor de puenteo en el emisor), entre más grande sea R E, mayor será la impedancia de entrada. También influye en la ganancia del amplificador, entre mayor sea R E, menor será la ganancia (siempre y cuando no haya capacitor de puenteo en el emisor).
5. ¿Por qué debe ser pequeña la señal de entrada? R: En los circuitos analizados en esta práctica, la ganancia de voltaje es muy grande. Si la señal de entrada no es pequeña la señal de salida se distorsionará y aparecerá recortada en su parte positiva y negativa.
6. Justificar los métodos empleados para medir Zin y Zo. R: El método para medir las impedancias de entra y de salida se basa en el funcionamiento de un divisor de voltaje. En un divisor de voltaje, el voltaje de salida es la mitad del de entrada cuando ambos resistores son idénticos. El comportamiento de un amplificador en su entrada y en su salida se puede modelar como una impedancia. Cuando se conecta un potenciómetro, esas resistencias (potenciómetro y impedancia de entrada) quedan conectadas en serie como si de un divisor de tensión se tratara. Cuando en la entrada del amplificador el voltaje
medido es igual a la mitad del aplicado, se sabe que la resistencia del potenciómetro es idéntica a la impedancia entrada del circuito, así se obtiene el valor de la impedancia de entrada.
La medición de la impedancia de salida funciona basada en el principio de funcionamiento del divisor de corriente. Cuando las resistencias de un divisor de corriente son iguales se sabe que ambas son idénticas. En un amplificador sin carga toda la corriente de salida disponible circula a través de la resistencia de emisor y se puede medir un cierto voltaje entre sus terminales. Cuando se conecta una carga esa corriente se divide proporcionalmente entre ambas resistencias, pero como el circuito no opera como fuente de voltaje constante, la tensión en la terminal de salida se ve disminuida.
Cuando el voltaje de salida con carga, es igual a la mitad de dicho voltaje sin carga se sabe que por ambas resistencias circula la misma corriente y que por tanto son iguales.
7. ¿Qué sucede con la ganancia del circuito al variar la Resistencia de Emisor? R: Si la resistencia de emisor se hace pequeña, la ganancia aumenta, al grado que cuando esta resistencia desaparece del circuito, por efecto de conectar un capacitor en paralelo con ella, la ganancia se hace máxima. Cuando esta resistencia se hace grande (por ejemplo cuando no hay capacitor en el emisor) la ganancia de voltaje es pequeña.
8. Determine una ecuación para determinar Zo. R: Partiendo de la ecuación para obtener la corriente de colector con carga y si carga se obtiene las siguientes dos ecuaciones,
es el voltaje a la salida del amplificador sin carga, es el voltaje medido a la salida con resistencia de carga, es la impedancia de salida y es el valor de Donde
la resistencia de carga. Si se igualan ambas ecuaciones se obtiene:
Eliminado
del primer miembro y pasando en su lugar, se tiene:
Desarrollando la conexión en paralelo:
Simplificando la fracción del segundo miembro:
Eliminado P del segundo miembro:
Factorizando el primer miembro, eliminado signos y reacomodando, queda como:
( ) Así, se obtiene una fórmula para calcular la impedancia de salida independiente del valor de la resistencia de carga. Solo basta con que esta sea de un valor conocido y se midan cuidadosamente el voltaje con carga y sin carga.
IV CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. De la realización de esta práctica se concluye que la configuración emisor común posee una elevada ganancia de voltaje, y que por esa razón es útil cuando se requiere amplificar pequeños voltajes de entrada. En cuanto a sus parámetros de impedancia, son
independientes de las características internas del transistor y dependen casi exclusivamente de las características del circuito exterior.
V BIBLIOGRAFÍA Y SOFTWARE.
Boylestad, Robert y Louis Nasheky, Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, Pearson, 8va edición. L. Floyd, Thomas, Dispositivos electrónicos, Pearson, 8va edición. Multisim 12 .
