UNIVERSIDAD DEL QUINDÍO, INGENIERÍA ELECTRÓNICA, GRUPO DE ELECTRÓNICA II, INFORME PRESENTADO DURANTE EL SEGUNDO SEGUNDO SEMESTRE DE 2013 ACOPLAMIENTO DE AMPLIFICADORES Leandro José Zamora Sinisterra, cód. . 1111.768.002, Jossean Andrés Uribe Martínez cód. 1.094.922.503, Nataly Vanegas Restrepo Restrepo cód. 1.094.907.718
Cuando Cuando un sistema se compone de más de una etapa de transistor, es necesario conectar (acoplar) los amplificadores con transistores entre sí. Hay varias formas comunes de lograr esta interconexión entre amplificadores como son el acoplamiento directo, capacitivo, transformador y óptico. En este trabajo se implementara el acople directo y el acople capacitivo.
Resumen —
When W hen a system is composed of more than one stage of transistor, you connect (attach) transistor amplifiers together. There are several common ways to achieve this interconnection between amplifiers such as direct coupling, capacitive, optical transformer. In this paper we implement the direct coupling and capacitive coupling. Abstract —
I.
INTRODUCCIÓN
El acoplamiento capacitivo es la manera más simple y efectiva de desacoplar desacoplar los efectos del nivel nivel de dc entre las etapas de un un amplificador .El capacitor quita la componente de dc de la señal de AC de tal modo que la polarización de una etapa de amplificador no se afecta por la polarización de la etapa previa. Para asegurar que la señal no varía de modo significativo por la adicción de un capacitor, es necesario que este vea al circuito como un corto circuito para todas las frecuencias que se están amplificando. En consecuencia, se supondría que el capacitor es muy grande cuando se trabajan frecuencias muy bajas.
II. OBJETIVOS Estudiar teóricamente el acople de amplificadores directo y capacitivo Estudiar la configuración del amplificador diferencial y en modo común Analizar el comportamiento en la práctica de los acoples directo, capacitivo y las configuraciones en modo diferencial. Verificar como afecta afecta el acoplamiento acoplamiento de impedancia entre amplificadores a mplificadores..
o
o
o
o
III. o o o o o o
LISTADO DE MATERIALES
Fuente de voltaje dual Osciloscopio Multímetro Resistencias Capacitores Tip41C
IV.
MARCO TEÓRICO
ACOPLAMIENTO CAPACITIVO.
El acoplamiento directo presenta cuando dos amplificadores estas acoplados directamente, es decir , la salida del primer amplificador se conecta a la entrada del segundo directamente y sin el uso de capacitores Fig.1. Acoplamiento capacitivo
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El acoplamiento capacitivo es la manera más simple y efectiva de desacoplar los efectos del nivel de dc de la primera etapa de amplificador de los correspondientes a la segunda etapa. El capacitor quita la componente de dc de la señal de ac. De tal modo que la polarización de una etapa de amplificación no se afecta por la polarización de la etapa previa. Para asegurar que la señal no varía de modo significativo por la adición de un capacitor, es necesario que este vea al circuito como un corto circuito para todas las frecuencias que se están amplificando. En consecuencia, se supondrá que el capacitor es grande [1].
la desventaja de requerir suministros de potencia adicionales o desplazadores de nivel y de ser sensitivo al arrastre (una variación lenta del cambio de nivel de dc). En la figura se advierte que el voltaje de colector del primer amplificador es el voltaje de base del segundo amplificador. Esto causa problemas si el amplificador con resistor en el emisor sigue al amplificador SE, ya que los amplificadores con resistor en el emisor tienen un voltaje de base bajo - apenas arriba de los 0.7 V necesarios para que el transistor conduzca. En consecuencia, es necesario reducir el voltaje de reposo, voltaje de colector, hasta un nivel bajo para que se reduzca la excursión del voltaje de salida [1].
ACOPLAMIENTO DIRECTO
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
El amplificador diferencial puede medir y también amplificar pequeñas señales que quedan ocultas en señales mucho más intensas.
Fig.2. Acoplamiento directo El acoplamiento directo se emplea de manera efectiva cuando se acopla un amplificador SE con un amplificador con resistor en el emisor, como se ilustra en la figura 2. El acoplamiento directo elimina la necesidad del capacitor de acoplamiento y los resistores R1 y R2 de la segunda etapa. El amplificador con acoplamiento directo tiene una buena respuesta en frecuencia puesto que no hay capacitores en serie (esto es, elementos sensitivos a la frecuencia) que afecten la señal de salida a baja frecuencia. El acoplamiento directo se emplea comúnmente en el diseño de circuitos integrados. Hay varias razones para su utilización. El amplificador resultante tiene una excelente respuesta a baja frecuencia y puede amplificar señales de dc. También es más fácil de fabricar en un chip pues no hay necesidad de capacitores. Sin embargo, el acoplamiento directo tiene
Fig.3. Amplificador diferencial básico. Cuatro resistencias de precisión (1%) y un amplificador operacional componen un amplificador diferencial, como se muestra en la figura 4. Hay dos terminales de entrada, denominadas entrada (-) y entrada (+), correspondiente a la terminal más cercana del amplificador operacional. Si E1 es reemplazado por un cortocircuito, E2 ve un amplificador inversor con una ganancia de – m. Por tanto, el voltaje de salida debido a E2 es . Ahora póngase E2 en cortocircuito. E1 se divide entre R y mR para aplicar un voltaje de E1m/(1+m) a la entrada (+) del amplificador operacional. Este voltaje dividido ve un amplificador no inversor con una ganancia (m+1). El voltaje de
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salida debido a E1 es el voltaje dividido, E1m/ (1+m), multiplicado por la ganancia del amplificador no inversor (1+m), lo cual da mE1. Por tanto, E1 es amplificado a la salida por el multiplicador m a mE1. Cuando E1 y E2 están presentes en las entradas (+) y (), respectivamente, Vo es mE1-mE2, o
(1)
En esta ecuación se muestra que el voltaje de salida del amplificador diferencial, Vo es proporcional a la diferencia de voltajes aplicada a las entradas (+) y (-). El multiplicador m se denomina ganancia diferencial y se establece por la relación entre resistencias. Como puede esperarse por la ecuación (1), cuando E1=E2 el voltaje de salida es 0. Dicho de otro modo, cuando un voltaje común (el mismo) se aplica a las terminales de entrada, Vo=0 [2].
Voltaje en modo común La salida del amplificador diferencial deber ser 0 cuando E1=E2. El modo más simpe de aplicar voltajes iguales es cablear ambas entradas juntas y conectarlas a la fuente de voltaje (figura 2). Para dicha conexión, el voltaje de entrada se denomina voltaje de entrada en modo común ECM. Ahora Vo será 0 si las relaciones de resistencias son iguales (mR a R para la ganancia del amplificador inversor es igual a mR a R del circuito divisor de voltaje). Prácticamente, las relaciones de resistencias se igualan mediante la instalación de un potenciómetro en serie con una resistencia, como se muestra en la figura 4. El potenciómetro se afina hasta que Vo se reduce a un valor despreciable. Esto causa que la ganancia de voltaje en modo común Vo/ ECM , se aproxime a 0. Esta es la característica de un amplificador diferencial que permite que una señal débil se capte extrayéndola de una señal de ruido más intensa.
Fig.4.La ganancia de voltaje en modo común debe ser cero. Es posible arreglar el circuito de modo que la señal más intensa no deseada, sea el voltaje de entrada en modo común y la pequeña señal el voltaje de entrada diferencial. Entonces el voltaje de salida del amplificador diferencial contendrá solo una versiona amplificada del voltaje diferencial de entrada [2].
V.
PROCEDIMIENTO
ACOPLAMIENTO CAPACITIVO
SEGUNDA ETAPA Se supone
Por criterios
Luego la ganancia de voltaje
(1)
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Donde
(2)
(3)
La impedancia de entrada
Reemplazando (2) y (3) en (1)
(11)
(4)
(12)
AHORA PARA LA PRIMERA ETAPA
Reemplazando los valores en (4)
Se sabe que
Despejamos
(5)
(6)
Por criterios tenemos
De la siguiente ecuación Se despeja (7)
La ganancia de voltaje para la etapa 1 está dada por
Entonces
Por máxima transferencia de potencia
(8)
De la malla de entrada tenemos
Ahora hallamos
(9)
Despejamos (10)
(15)
Reemplazando los valores
Y
(14)
Sabiendo que
ANALISIS EN DC
( )
(13)
(16)
(17)
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Partiendo de la ecuación de
tenemos
(18) El valor de se calcula de:
Despejando tenemos
(19)
De la malla de entrada tenemos
( )
(20)
Y
(21)
(29)
Calculado el valor de se obtienen las resistencias de
(28)
Hallado se obtiene el valor de
(22)
(27)
Reemplazando el valor de para hallar se obtiene
(26)
Vcc = 20V, Vo = 15V, reemplazando tenemos:
Ahora hallamos
(25)
ACOPLAMIENTO DIRECTO
la segunda etapa del circuito en acoplamiento directo.
Segunda etapa
Primera etapa.
Asumiendo un beta de 45 y una resistencia de colector
de la segunda etapa de 2kΩ se procede de la siguiente
manera:
Con base en la ganancia de la segunda etapa:
(23)
Despejando tenemos:
El valor de se calcula de:
(30)
(31)
(24) Suponiendo:
, tenemos:
(32) (33) (34) (35)
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Suponiendo Despejando de la ganancia tenemos:
AMPLIFICADOR COMÚN
DIFERENCIAL
AMPLIFICADOR EN MODO DIFERENCIAL
(36)
Reemplazando
De la formula
(37)
Reemplazando
Despejado de
(38)
Fig.5. Amplificador diferencial
Tenemos:
( )
(39)
Reemplazando valores tenemos:
Para hallar los valores de reemplazamos ecuación (34) de criterio de , y obtenemos: De igual forma se halla con la ecuación (35)
en la
Y
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(40)
VI.
DIFERENCIAL EN MODO COMÚN
RESULTADOS
SIMULACION ACOPLAMIENTO DIRECTO
R3
R1
12.35k
1k
R6
V2
2k
20V
Q2 TIP41
C1
R5
Q1
50
TIP41
33uF
V1
+8.71 +9.29
VSINE +0.71
R4
R2
ACVolts
467
100
ACVolts
R7
ACVolts
656.31
Fig.7. Circuito de Amplificador con acople directo
Fig.6. Amplificador diferencial en modo común
Fig.8. Respuesta en el tiempo de Amplificador con acople directo. Señal amarilla salida, señal azul entrada
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SIMULACION ACOPLAMIENTO CAPACITIVO
PRACTICA ACOPLAMIENTO DIRECTO R2 1k
V1 20V
R8
R1
673
700
C1
R6
Q1
503
C2
NPN 10uF
Q2 10uF
NPN
V2 VSINE
R3
R7
19.471k +3.69
13.51k
R4
+3.83
100
ACVolts
ACVolts
R9 67
+0.35 ACVolts
Fig.11. Circuito de Amplificador con acople capacitivo Fig.9. Circuito práctico acoplamiento directo
Fig.12. Respuesta de Amplificador con acople capacitivo. Señal amarilla salida, señal azul entrada Fig.10. Salida (señal grande) y entrada (señal pequeña), del circuito de acoplamiento directo
DATOS ACOPLAMIENTO DIRECTO
PRACTICA ACOPLAMIENTO CAPACITIVO
Tabla 1. Resultados obtenidos acoplamiento directo Teórico
Simulación
Practica
Fig.13. Circuito de acoplamiento capacitivo
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Fig.14. Señal de entrada
DATOS TOMADOS ACOPLAMIENTO CAPACITIVO
Tabla 2. Datos de la primera etapa del circuito. Voltaje de la base (Vb) 0.12 V Voltaje del colector (Vc) 0.6V Voltaje del emisor (Ve) 0.13 V Voltaje colector emisor 0.56V Voltaje base colector 0.6V Voltaje base emisor 0.7V Corriente del colector 2mA Corriente del emisor 2.131mA Tabla 3. Datos de la segunda etapa del circuito (salida) Voltaje de la base (Vb) 0.22 V Voltaje del colector (Vc) 2.4V Voltaje del emisor (Ve) 0.22V Voltaje colector emisor 2.39V Voltaje base colector 2.4V Voltaje base emisor 0.6V Corriente del colector 2.4mA Corriente del emisor 2.2mA
Fig.15. Salida primera etapa
PRACTICA MODO DIFERENCIAL
Fig.16. Salida segunda etapa (señal de salida del circuito) Fig.17. Amplificador diferencial
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SIMULACIÓN AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.
R8
R2
47k
47k
Q1 V1 9V
+88.8
Q2
ACVolts
NPN
+88.8 ACVolts
V3
NPN
VSINE
V4
V2
VSINE
9V
A 8 . 8 m 8 C + A
Fig.21. Respuesta del amplificador diferencial en modo común.
R9 43k
. Fig.18. Amplificador diferencial Tabla 4. Resultados obtenidos amplificador diferencial Teórico
Simulación
Practica
PRACTICA MODO COMUN
Fig.19. Respuesta del amplificador diferencial
SIMULACION AMPLIFICADOR MODO COMÚN.
R8 R2
47k
47k
Q1 V1
Q2
9V
TIP41
V3
TIP41
VSINE
V2 9V
R9 43k
Fig.20. Circuito amplificador diferencial en modo común
Fig.22. Circuito amplificador diferencial modo común
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VII.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
ACOPLAMIENTO DIRECTO
Tabla 6. Análisis del error en acoplamiento Directo Teórico
Simulación
Practica
% error (t-p/ t-s) 94% / 95.6% 6.666% / 17.8% 94% / 95.6% 45% / 58% 6.666% / 17.8%
Fig. 23. Señal de entrada Durante la realización de la práctica del acoplamiento directo se percató de que en la primera etapa R1 debía ser mucho mayor a R2 para así cumplir con una ganancia de voltaje de 5, en la segunda etapa RE2 debía ser menor que RC1 para obtener una ganancia de voltaje de 3. También se observó que al bajar de valor la resistencia RE2 la ganancia de la primera etapa disminuye.
Fig.24. Señal de salida
Tabla 5. Resultados obtenidos amplificador modo común
Teórico
Simulación
Practica
El porqué de los errores presentes en la anterior tabla es debido, a que el beta del transistor es muy sensible al cambio de la temperatura, en la simulación no es posible trabajar con un valor de beta deseado, por eso el beta de la simulación, de la práctica, y de la teoría son diferentes, ocasionado diferentes valores de voltaje en cada una. La ganancia de la primera etapa afecta la segunda etapa, es decir no hay un elemento que logre desacoplar una etapa de la otra, ocasionando que el voltaje en la segunda etapa disminuya o aumente dependiendo de las condiciones en las que se encuentre el circuito. Los valores específicos de ganancia total del circuito cumplen los requerimientos de diseño teóricos para el acople, tanto en el casos de la simulación, practica o la teoría; como se analizó existen factores que se pueden evidenciar en los errores obtenidos.
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ACOPLAMIENTO CAPACITIVO
1.70% / 25%
Tabla 7. Análisis del error en acoplamiento Capacitivo Teórico Simulación
3
% error (t-p/ t-s)
Practica
16.6% / 355% 0% / 12.5% 16.6% / 253% 20% / 74.5% 0% / 6.33%
Como se puedo observar en el acoplamiento capacitivo se encontró la ganancia de la primera etapa es mucho mayor que la ganancia de la 2 etapa en la simulación, pero la ganancia total se cumple. Al analizar los resultados obtenido en la práctica se encontró que estos se ajustaron a los calculados teóricamente, aunque la simulación la ganancia total es similar debido a su error no se puede tener como referencia del comportamiento del amplificador. A diferencia del acoplador directo el efecto del capacitor entre las etapas se puede evidenciar que una etapa no afecta mucho la otra mejorando en gran medida la amplificación de la señal. Durante la práctica fue necesario tener en cuenta las condiciones ambientales principalmente la temperatura, durante su funcionamiento al calentarse los transistores se afectaba en gran medida la ganancia de voltaje llegando hasta el punto de limitar a su funcionamiento hasta en un 50%.
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
La corriente del emisor podemos observar que existe un error bastante pequeños con respecto a la realidad, si se analiza el resultado obtenido en la práctica y el valor de la simulación el error asciende a un 29.53% . Este error se ve reflejado en la ganancia real del amplificador que varía entre 0.1v y 0.2 v. La corriente de base del amplificador se pudo observar tanto en la simulación como en la práctica cuando el voltaje de la base es igual los errores son mínimos y no existe una variación. En la práctica esto no es posible realizarlos debido a que es muy complicado alimentar ambos amplificadores con el mismo voltaje y frecuencia debido al uso de 2 generadores independientes lo que nos presenta variaciones en los resultados obtenidos y en la saturación de la señal de salida.
DIFERENCIAL EN MODO COMÚN
Tabla 9. Análisis del error del amplificador en modo común. Teórico
Simulaci ón
Practica
%Error(simul ación /practica) 11.26% / 13.94% 288.33%/298. 33% 3.5751/11.39 %
Tabla 8. Análisis del error del amplificador diferencial Teórico
Simulación
Practica
%Error (t-p/ t-s) 12.53% /16.33% 1.35% / 5.14% 20% / 16% 20% / 58%
La corriente de base se puede observar que presenta un error bastante evidenciable con respecto al teórico, este error p puede ser ocasionado debido a que se asume ambos amplificadores iguales. En la práctica no es posible en la realidad debido a que es casi imposible hallar dos integrados exactamente iguales y que se comporten en la práctica igual. Si se analiza el error la simulación y la práctica esta corriente de base no presenta un error tan alto bajando hasta el
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8.04% lo que permite concluir que el comportamiento de la simulación se asemeja más a la realidad.
VIII.
CONCLUSIONES
Se estudió de manera teórica el comportamiento de los amplificadores, con acoplamiento directo y con acoplamiento capacitivo, analizando el efecto de los condensadores como separadores de etapas de amplificación. Se verifico que este tipo de acoples son muy sensibles a los cambios de temperatura, ya que en la presencia de estos cambios afectaban el rendimiento del circuito amplificador. Se comprobó de manera teórica y práctica el comportamiento electrónico de la configuración diferencial y modo común, se encontró que este se puede ver muy afectado en sus corrientes y ganancias debido a que se requiere que ambos transistores sean simétricos, es decir, idénticos. En el acople capacitivo se pude evidenciar que es necesario incluir condensadores entre etapas, para así eliminar los efectos del voltaje en dc a la entrada de cada etapa de amplificación.
IX.
BIBLIOGRAFIA
[1]. C.J. Savant Jr, Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter. Diseño electrónico. Circuitos y Sistemas. 3ra ed. Prentice Hall. 2000. [2] Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll. Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. Prentice Hall Hispanoamérica. [3] Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky. Electrónica: Teoría de Circuitos. 6a ed. Prentice Hall.
