Practica #6
Amplificador Multietapa, Electrónica I,
Ing. Karla Puerto
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Practica #6 Apli!icador Multietapa El acoplo entre las etapas ásicas puede ser
I. Introducción
0sar 9amíre-?1161:@ 9amíre- ?1161:@ Bicolás Bicolá s áceres?11611 ácere s?11611:1 :1 En el área de la Ingeniería Electrónica los transistores ipolares o !" son la e$olución de los los disp dispos osit iti$ i$os os semi semico cond nduc ucto tore res s %ue %ue dier dieron on pas paso a la imple mplem menta entaci ción ón de la electrónica de estado sólido & son la ase de muc' muc'os os sist sistem emas as o circ circui uito tos s elec electr trón ónic icos os desd desde e simp simple les s radi radios os o micr micróf ófon onos os 'ast 'asta a elementos más comple(o e(os) de a'í la import importanc ancia ia de conoce conocerlo rlos s & compro comproar ar su funcionamiento real teniendo como ase el análisis teórico para su dise*o. El amplif amplifica icador dor con transisto transistorr !" %ue se dise*ará contara con tres etapas, las cuales comprenderán+ in$ersor, in$ersor & seguidor res respect pectii$ame $ament nte, e, esto esto es, es, para para tene tener r estailidad & un $alor a(o de impedancia de sali salida da.. ada ada etap etapa a apor aporta ta una una ganan gananci cia a esta estal lec ecid ida a por por el usua usuari rio, o, & al fina finall cada cada gana gananc ncia ia se mult multip ipli lica ca para para cono conoce cerr la ganancia total del circuito dise*ado. Median Mediante te el siguie siguiente nte inform informe, e, se darán darán a conoc onocer er las las ecua ecuaci cion ones es & condi ondici cion ones es utili-adas en el dise*o del amplificador !", adem además ás de e$al e$alua uarr el funci funcion onam amie ient nto o del del circui circuito to de acuerd acuerdo o a las especi especific ficaci aciones ones dadas. II. Marco Teórico n amplificador multietapa es un amplificador constituido por un con(unto de amplificadores ásicos conectados en cascada. /a t0cnica de análisis de este amplificador es senc sencil illa la &a %ue %ue se redu reduce ce ási ásica came ment nte e a anali-ar un con(unto de etapas ásicas & a partir de sus modelos e%ui$alentes otener el modelo elo e%ui$ ui$alent ente del amplificado ador completo.
reali-ado de dos maneras+ irectamente o acoplo en & a tra$0s de un condens condensado ador. r. El primer primero o e2ige e2ige estudia estudiar r con(untamente la polari-ación de cada una de las las etap etapas as lo %ue %ue comp compli lica ca su análi análisi sis s en cont contin inua. ua. 3in 3in ema emarg rgo o el ampl amplif ific icad ador or mult multie ieta tapa pa care carece ce de frec frecue uenc ncia ia de cort corte e inferior. El acoplo a tra$0s de un condensador aísla en las etapas ásicas a costa de introdu introducir cir una frecue frecuenci ncia a de corte corte inferi inferior or.. Este 4ltimo acoplo solo es usado en a%uellos amplificador amplificadores es reali-ados reali-ados con componentes componentes discretos II.I. Ecuaciones y condiciones utilizadas El amplificad amplificador or deía contener las siguientes siguientes características+ 5anancia de $olta(e+ 1 7uente de alimentación+ 18$ 9esistencia de entrada+ 1::K; a ::K; 9esistencia de salida+ 18:; a <::; on on ase ase a esos esos dato datos, s, se util utilii-ar aron on las las siguie siguiente ntes s ecuaci ecuacione ones, s, tomand tomando o en cuenta cuenta %ue el $alor de =in fue elegido por el grupo de traa(o traa(o & %ue se conocía conocía el parámet parámetro ro > de cada transistor utili-ado.
Análisis en DC: En las dos etapas inversoras:
Practica #6
Icq =
Ip =
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Vce Rc
R 6=
∗ Icq β
Vbe + Vce Ip
esistencia de entrada
3iendo la corriente de polari-ación Ip a%uella %ue pasa por las resistencias 91 & 9.
R 1=
Vbe + Icq∗ℜ Ip Vcc − R 2 Ip
Zin = Rb∗( Rπ +( β + 1 ) ℜ)
esistencia de salida
ℜ ¿
Rb 1 =( 0.1 ) ( β ) ( ℜ 1 )
| RL )∗ Rπ β +1 ¿ ℜ ¿ ¿ ¿ ¿ Zout =¿
3
¿ 3∨ Para el se"uidor: omando en cuenta %ue se tu$ieron estas condiciones+
ℜ = Rc = Rc 3
1
2
Por lo tanto, se usa la misma Ic% & la misma corriente de polari-ación Ip de esas etapas. ami0n, para potencia+
má2ima transferencia
de
ℜ = Rl 3
3iendo esa 9l del seguidor la 4nica resistencia de carga utili-ada en el amplificador, & el lugar donde se medirá el $olta(e de salida. 3e usaron las siguientes ecuaciones para las resistencias de la ase+
R 5=
Análisis en AC:
10
R 2=
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Vcc −(Vbe + Vce ) Ip
$orulas sacadas del odelo %i&rido '
β ∗VT R π = Icq 3e utili-ó siempre CD 8m$
Av =
−( Rc 1 ) ( β ) rπ + ( β + 1 )∗ℜ 1
onde se utili-aron las siguientes apro2imaciones al modelo con el fin de poder despe(ar los datos de una forma óptima+
rπ <¿< ( β +1 )∗ℜ 1
Av =
− Rc 1 ℜ1
β ≅ ( β + 1 )
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3iendo esta una de las fórmulas más importantes en el dise*o, deido a %ue se podía 'allar los $alores de las resistencias con ase a la ganancia deseada en cada etapa.
III. Monta(e E)periental /uego de reali-ar el dise*o teórico, de 'aer simulado & $erificado cada parámetro, se reali-ó el respecti$o monta(e en protooard con los $alores de resistencias comerciales más cercanos a cada uno de los $alores 'allados teóricamente, lo %ue causa una $ariación entre los $alores simulados & otenidos e2perimentalmente, pero aun así, cumpliendo con las e2igencias otorgadas por la guía de traa(o. El monta(e & las gráficas de las se*ales de entrada & salida se 'icieron de la siguiente manera+
$i"ura,. -e+al de entrada edida en el sciloscopio
$i"ura/. -e+al de salida edida en el sciloscopio onde, si reali-amos ganancia tenemos+
Av =
$i"ura*. Monta(e del apli!icador dise+ado en Proto&oard
1.44 V
el
cálculo
de
la
= 12.8571
112 mV
omo la se*al presentaa un ruido considerale a la salida, el grupo de traa(o considero incrementar el $olta(e alterno senoidal de entrada 'asta otener su má2ima e2cursión de salida, con el fin de entregar una se*al limpia.
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<
afectarían, así %ue se optó por usar dos etapas de ganancia < por%ue se e$idencio %ue la apro2imación a resistencias comerciales & la transición entre el modelo teórico & real la degradaan al menos tres unidades. e los $alores empleados en el dise*o, solo se le dio $alor a la impedancia de entrada de la primera etapa, con ase a ese $alor %ue cumplía con las condiciones del dise*o se otu$ieron los demás datos.
$i"ura/. 0ueva se+al de entrada edida por el sciloscopio
ETAPA *:
VCC =15 V
β =250
VCE=7.5 V
Av =−4.0 Zin =150 K Ω $i"ura1. 0ueva se+al de salida edida por el sciloscopio onde, si reali-amos el cálculo de la ganancia tenemos+
Av =
6.28 V
= 12.3622
Zin = Rb 1||[ rπ + ( B + 1 )∗ℜ 1 ] 3i se de(aa esa e2presión intacta, la formula resultaa tediosa de despe(ar, además de %ue se desconocía el $alor de la corriente Ic%, así %ue se optó por utili-ar una apro2imación+
508 mV
RB 1 = ( 0.1 ) ( β ) ( ℜ 1 )
rπ <¿< ( β +1 )∗ℜ 1 I2. esultados 3e decidieron utili-ar dos etapas iguales para facilitar los cálculos a reali-ar, & por 4ltimo se implementó un seguidor para otorgarle más estailidad al circuito & cumplir con la condición de tener una impedancia de salida de a(a magnitud.
Zin =( 0.1 ) ( β ) ( ℜ 1 )||[ β∗ℜ 1 +ℜ 1 ] Zin =( 25∗ℜ 1 )||( 250∗ℜ 1 +ℜ 1 )
Zin =
( 25∗ℜ 1 )∗( 250∗ℜ 1 + ℜ 1 ) 25∗ℜ 1+ 250∗ℜ 1 + ℜ 1
Idealmente, para otener una ganancia de 1, se utili-arían dos etapas de
−2 √ 3
,
pero la ganancia final al simular era más a(a de lo %ue se esperaa & la apro2imación a los $alores comerciales de resistencias la
Zin =
2
2
∗ℜ 1 + 25∗ℜ 1 ℜ 1 ( 25 + 250 + 1 )
6250
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ℜ 1 ( 6250 + 25 ) Zin = ℜ 1 ( 276 ) 2
R 2=
ℜ 1 (6275 ) Zin = ( 276) Zin =150 K =ℜ
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VBE+ ICQ∗ R e 1 IP
R 2=
0.7
+( 0.28 mA )( 6.60 K ) 11.2 A
R 2=227.5 K Ω
∗
1 6275 276
R 2=2 20 . K ΩV!lor comerci! l espe(amos 9e1+
ℜ 1=
( 150 K )∗276 6275
ℜ 1=6.60 K Ω
R 1=
e*3 6.45 Ω 2alor coercial
R 1= e la ecuación de ganancia+
Av =
−( Rc 1 ) ( β ) rπ + ( β + 1 )∗ℜ 1
r π <¿< ( β + 1 )∗ℜ 1
15 V 11.2 A
−227.5 K
R 1=1.1 " Ω e acuerdo al dise*o) la etapa tendrá los mismos parámetros %ue la etapa 1, por ende+
β ≅ ( β + 1 )
− Rc 1 Av = ℜ1
VCC − R 2 IP
Rc 1=− ( Av ) ( ℜ 1 )
Rc 1=− (− 4.0 ) ( 6.60 K )
Rc 1=26 . 4 K
Rc 1=27 K Ω 2alor coercial
VCE 7.5 V ICQ 1 = = RC 1 26.4 K Ω ICQ 1 =0.28 mA
ETAPA ,:
VCC =15 V Av =−4.0
β = 205
VCE = 7.5 V
ℜ 2= 6.60 K Ω
Rc 2=26.4 K Ω
R 3= 1.1 " Ω
R 4 =227.5 K Ω ETAPA /+ 3,76
IP=
∗ ICQ
10
β
= 11 . 2 A
ℜ 3= Rc 1 = Rc 2= 26 . 4 K Ω
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ICQ 3 = ICQ 1 = ICQ 2= 0.28 mA IP 3= IP 2 = IP 1=11 . 2 A
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de entrada & salida de cada una de las etapas+ Priera y se"unda etapa
R 6=
VBE +VCE 0.7 V + 7.5 V = IP 11.2 A
R 6=732.14 K Ω R 6=750 K Ω V!lor comerci!l
R 5=
VCC −( VBE+ VCE ) 15 V −( 0.7 V + 7.5 V = 11.2 A IP
R 5=607.14 K Ω R 5=680 K Ω V!lor comerci!l
8in3 18:F; 7ue el dato elegido por el grupo de traa(o, con ase a ese $alor se 'alló el $alor de la resistencia 9e de las dos primeras etapas. 8out: 3e mide el $alor de la impedancia de salida de cada etapa in$ersora desde antes del comien-o de la siguiente etapa, deido a la ausencia de una 9/, & de %ue el $olta(e Earl& GCAH tiende a infinito, el $alor de la =out es el mismo %ue el de 9c1
Zout = Rc 1= 26.4 #Ω Tercera etapa
β ∗VT ( 256 )( 25 mV ) Rπ 3 = = 0.28 mA ICQ 3
R 5∨| R 6 )∨¿( Rπ 3 + ( β + 1 ) R e 3 ) Zin=¿
Rπ 3 =22.86 K Ω
R 5|| R 6=( 607.14 # )||( 732.14 # )=331.90 #Ω
ℜ 3= RL
Rπ 3 =22.86 K Ω
ℜ 3|| RL= 13.2 K Ω
Zin =331.90 # Ω ∨¿ 6807.66 #Ω 1
+
( β + 1 )
Zin =316.47 #Ω
ℜ 3|| RL Rπ 3 ¿ ¿ Zout = ¿ Zout =[
1
+
13.2 K
la =out fue 'allada en el análisis anterior, siendo esta+ 257 22.86 K
−1
]
Zout =88.35 Ω Jteni0ndose, de manera analítica+
Zout =88.35 Ω /uego de tener las etapas con todos sus parámetros 'allados, se 'alla la impedancia
Av tot!l =−4.0∗−4.0∗1=16.0 Esto es, por%ue para el dise*o el $alor de la ganancia de cada etapa fue dado por el
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grupo de traa(o para 'allar el resto de parámetros con ase a dic'o $alor.
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/os datos de las $ariales de cada transistor son los siguientes seg4n el simulador+
/uego se procedió a simular el circuito 'allado pero con los $alores comerciales, %uedando+
$i"ura7. Es9ueático Multietapa dise+ado
del apli!icador
$i"ura;. Paráetros de cada transistor otor"ados por el siulador rCAD. Posteriormente, para 'allar =in) se procedió a desconectar la fuente alterna, conectar en lugar de ella una fuente de pruea CA de 1C, emplear un análisis en A 3LEEP & 'allar la impedancia de entrada como la ra-ón entre el $olta(e de la fuente & la corriente %ue pasa por el primer capacitor de acople+
$i"ura6. rá!icas de entrada y salida del apli!icador en el doinio del tiepo on ase al $alor pico de cada onda, se reali-o la operación+
Av =
Vo 1.1917 v = =11.9179 V$ 99.992 mv
$i"ura4. Es9ueático epleado para %allar 8in
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$i"ura<. Ipedancia de entrada del apli!icador Para 'allar la impedancia de salida, se desconectó & se 'i-o corto la fuente de entrada, & se uicó una fuente de pruea CA en paralelo a la salida del seguidor, luego se 'alló la relación entre el $olta(e de la fuente de pruea & la corriente %ue pasa a tra$0s de 9l.
$i"ura**. Ipedancia de salida del apli!icador 2. Análisis de esultados e los datos tomados & 'allados, se puede elaorar la siguiente tala de datos+ Etapa * Cariale
eórico
3imulado
Practico
I
:.mA
:.mA
:.mA
CE
.8 C
.1 C
6.@8C
C!E
:. C
:. C
:.6@C
Cariale
eórico
3imulado
Practico
I
:.mA
:.86mA
:.mA
Etapa ,
$i"ura *=. Es9ueático epleado para %allar 8out
CE
.8 C
. C
6.@6C
C!E
:. C
:.@ C
:.11 C
Etapa /
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Amplificador Multietapa, Electrónica I,
Cariale
eórico
3imulado
Practico
I
:.mA
:.mA
:.1 mA
CE
.8 C
.11 C
.:6C
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•
•
C!E
:. C
:. C
:. C
2I. Conclusiones •
•
/os $alores de las resistencias adecuados comercialmente permiten %ue 'a&a una transferencia total al amplificador, además de %ue la a(a magnitud de =out permite transferir toda la se*al amplificada por las etapas a la resistencia de carga 9/. El cálculo de la ganancia en el simulador Jrcad, se reali-ó en el dominio del tiempo, dándole un $alor de frecuencia de 1: K- como solicitaa la guía de traa(o, & una amplitud de 1::mC G%ue realmente eran @@.@@mH, & se graficaron < ciclos de la se*al ?aun%ue en la imagen solo se alcan-an a oser$ar dos por est0tica?, midi0ndose los puntos má2imos de cada se*al & relacionándolos en la fórmula de la ganancia.
•
@
3e usaron capacitores de acople 4nicamente entre etapas, & su $alor fue uno predeterminado de 1: N7. Al momento de lle$ar a la práctica influ&en en el análisis del transistor los $alores de eta dependientes de la temperatura amiente, & los $alores del capacitor afectados por la frecuencia, los cuales a su $e- 'acen $ariar la ganancia de salida lo %ue no se $e refle(ado al momento de reali-ar los cálculos analíticos. on el fin de eliminar lo más posile del ruido de la se*al a la salida, se incrementó la se*al de entrada senoidal 'asta %ue la salida Gse*al amplificadaH otu$iese la má2ima e2cursión sim0trica GCer fig.
>i&lio"ra!?a @* 3a$ant, "r, a ed. G1@@H. ise*o electrónico+ circuitos & sistemas. Amplificadores con transistores ipolares de unión.
