Amplificador multietapa UFPS

PRÁCTICA No. 1 AMPLIFICADOR MULTIETAPA MULTIETAPA CON ETAPA ET APA DE POTENCIA 1. OBJETIVOS 1.1 Objetivo General Diseñar un amplificador multietapa

1.2 Objetivos Específicos Implementar y evaluar un amplificador multietapa Acoplar Acoplar un amplificador amplificador de de potencia potencia en la salida salida del del multietapa. multietapa.

2. ANÁLISIS PRELIMINAR: Estudiar los siguientes temas: Características de un amplificador inversor y no inversor. Circuito multietapa Diseño de un circuito amplificador discreto multietapa Modelamiento y características de amplificadores de potencia.

3. EQUIPO NECESARIO Computador con últimas especificaciones Herramienta de simulación ORCAD PSPICE 1 Protoboard 1 Fuente de voltaje Regulada (0-32V / 0-3A) 1 Generador de señal con su respectiva punta de prueba (0-10 Mhz) 1 Osciloscopio con sus respectivas puntas de prueba (0-200Mhz) 1 Multímetro Digital (500V / 10 A /10 Mhz ) Pinzas, Pelacables, cables.

4. COMPONENTES NECESARIOS Resistencias de ¼ Watt Capacitores a 50 V Transistores BJT

Electrónica 3 – 3 – Lab01, Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 1 de 21

5. ECUACIONES BÁSICAS EXPRESIÓN MATEMÁTICA Etapa

Rin

Rout

Av

Ai

EC

RB||rπ≈rπ

R||ro

−gmro||R ||R

−gmR ≈ β

EC-RE

RB||[rπ 1  βRE]

R

− rπ βR1||RβRE

1  β

RB||[rπ 1  βRE] rπRB||R ||RE + ≈ 1 ++ β  1

1  β

CC

BC

rπ β  1

R

k

gmR ||R

β =  β  1

6. PROCEDIMIENTO Para la construcción de un circuito amplificador, que genere una ganancia superior a 100, se crea la necesidad de diseñar más de una etapa; un solo amplificador de abundante ganancia es inestable, motivo suficiente para tomar dicha decisión. Un método muy común es la construcción varias etapas en cascada; dos etapas inversoras encargadas de generar la ganancia deseada, una tercera etapa con la finalidad de obtener una impedancia pequeña a la salida y una etapa de potencia clase AB, esta etapa es una mezcla entre la eficacia de los amplificadores clase B y la eliminación de la distorsión de cruce de los diseños en clase A. En este trabajo se detallan los cálculos hechos para el diseño que se representa como sigue en la figura 1:

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Figura 1: Diagramas de Bloques

7. DISEÑO DEL AMPLIFICADOR MULTIETAPA Las características que fueron especificadas para el multietapa son: Señal de entrada: V in = 24 mV Ganancia total de tensión: Av ≥ 100 Impedancia de entrada: Z in ≥ 10 KΩ Resistencia de carga: R L = 100 Ω Rango de frecuencia: 20 Hz a 30 KHz Tensión sinusoidal de salida: V o = 2.4 Vpk Acople capacitivo

7.1 Diseño de la etapa 3 Las características para esta etapa son las siguientes:

≅

Ganancia de la etapa: Av 1 Voltaje base-emisor: V BE = 0.7V Beta del dispositivo: β = 250 Fuente DC dual: V CC = ± 12v La tercera etapa debe proporcinar una impedancia de salida baja, su ganancia no es importante porque es el trabajo de las dos etapas que la anteceden. El esquemático de esta etapa se puede apreciar en la figura 2.

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Figura 2: Etapa 3 Colector común

Se adopta que por máxima transferencia de potencia:

R = R =100Ω Teniendo muy en cuenta la consideración de que se debe estar centrado en la recta AC, que tiende precisamente a centrar el punto de operación:

Icq= R2VR R = R||R R = R Icq≅160mA El diseño continúa con el cálculo de la resistencia de base R B, la cual posteriormente nos permitirá calcular el valor de R9 y R10. R B es el resultante del paralelo entre R9 y R10.

RB =0.1β  1RE RB =2.5KΩ Estamos en capacidad de hallar el V BB o sea la caída de tensión sobre R10. La hallamos así:

VBB = (βRB1  RE)IcqVBE  VEE VBB = 6.29V Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 4 de 21

Finalmente hallamos los valores de R9 y R10 de la siguiente manera:

R10= 2VVBB ∗ RB

R10 ≅ 9.5 KΩ

R9 = RBVBB 1 − 2V

R9 ≅ 3.4 KΩ

Para el cálculo de la ganancia de tensión y de la impedancia de entrada, se realiza el modelo del circuito:

Figura 3: Pequeña señal de la etapa 3 Para la ganancia de tensión:

A = Vo Vs

A = re 11 ββR11 .R11 A ≅ 1

Para la impedancia de entrada:

Zin3= R9||R10||[βre 1  βR11] VT Zin3 ≅ 2.3 kΩ re = Icq Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 5 de 21

7.2 Diseño de la etapa 2 Las características para esta etapa son las siguientes: Ganancia de la etapa: Av = 12 Voltaje base-emisor: V BE = 0.7V Beta del dispositivo: β = 250 Fuente DC: V CC = 12v El esquemático de esta etapa se puede apreciar en la figura 4:

Figura 4: Etapa 2 Emisor común Por máxima transferencia de potencia:

R7 = RL

RL = Zin3 R7 = 2.3 KΩ

Se procede a trabajar con la ecuación de la Av de esta etapa, para ello se dibuja el modelo de pequeña señal:


Figura 5: Pequeña señal de la etapa 2

Vs Vs=Ib∙βreIbβ  1R8 Ib= βreβ1R8 Vo=−βIbR7||Zin3 β∙R7||Zin3 Av=−12 Av=− βre β  1R8 En la ecuación se definen dos incógnitas: Ic y R8. Partiendo de la figura 4:

V −IcR7−VE −IeR8=0 − VE V =0.2V Ic = VR7R8 E También se definen dos incógnitas: Ic y R8. Pero remplazando Ic en la ecuación de la ganancia y despejando los valores conocidos:

Para el valor de Ic, se opta por:

R8 ≅ 90 Ω

Icq= RVR R =R7||Zin3R8 R =R7R8 Icq ≅ 3.3 mA Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 7 de 21

Partiendo nuevamente de la figura 4:

Ip.R6=VBE Ic∙R8

R6= VBE Ic∙R8 Ip

Ip≥10Ib=10 Icβ

Ip ≥ 136 µA

R6 ≅ 7.4 kΩ

V = IpR5R6

R5 = Vcc−Ip.R6 Ip

R5 ≅ 81 kΩ


Zin2= R5||R6||[βre 1  β ∙R8] Zin2 ≅ 5.32 kΩ 7.3 Diseño de la etapa 1 Las características para esta etapa son las siguientes: Ganancia de la etapa: Av = 12 Voltaje base-emisor: V BE = 0.7V Beta del dispositivo: β = 250 Fuente DC: V CC = 12v El esquemático de esta etapa se puede apreciar en la figura 6.


Figura 6: Etapa 1 Emisor común Por máxima transferencia de potencia:

R3 = RL

R =Zin2 R3=5.32KΩ

Se procede a trabajar con la ecuación de la Av de esta etapa, para ello se dibuja el modelo de pequeña señal:

Figura 7: Pequeña señal de la etapa 1

Vs Vs=Ib∙βreIbβ  1R4 Ib= βreβ1R4 Vo=−βIbR3||Zin2 Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 9 de 21

βR||Zin2 Av=−9 Av=− βre β  1R4 En la ecuación se definen dos incógnitas: Ic y R4. Partiendo de la figura 6:

V −IcR3−VE −IeR4=0 − VE V =0.2V Ic = VR3R4 E

También se definen dos incógnitas: Ic y R4. Pero remplazando Ic en la ecuación de la ganancia y despejando los valores conocidos:

Para el valor de Ic se opta por:

R4 ≅ 287 Ω

Icq= RVR R =R3||Zin2R4 R =R3R4 Icq ≅ 1.4 mA Partiendo nuevamente de la figura 6:

Ip.R2=VBE Ic∙R4 R2= VBE Ic∙R4 Ip Ip≥10Ib=10 Icβ Ip ≥ 55.85 µA R6 ≅ 19.7 kΩ V = IpR1R2

R1 = Vcc−Ip.R2 Ip

R1 ≅ 214.8 kΩ


Zin1= R1||R2||[βre 1  β ∙R4] Zin1 ≅ 14.5 KΩ Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 10 de 21

7.4 Capacitores de acople: En el cálculo de cada condensador debe tenerse en cuenta los siguientes aspectos: Al condensador que ve la menor impedancia se le asigna la frecuencia baja especificada. En caso de este diseño, C2 ve la menor impedancia, por lo tanto:

1 C2≥ 2π∙Zin3∙Fmin se adopta; Cs = 3.5 µF Al siguiente que ve una impedancia baja, se le asigna la frecuencia, pero una década abajo. Para el caso de este diseño, se le asigna a C1 una frecuencia de 2Hz. Su cálculo es como sigue:

C1≥

1 se adopta; Cs = 15 µF Fmin 2π.Zin2. 10

Al capacitor que falta por calcular se le asigna la frecuencia baja pero 2 décadas abajo, es decir que F L = 0.2Hz:

Cs≥

1 se adopta; Cs = 55 µF Fmin 2π.Zin1. 100

Con esto concluye el diseño de preamplificador.


Figura 8: Circuito Total

8. SIMULACIÓN CON ORCAD PSPICE 8.1 Obtención del voltaje de salida Se crea el nuevo Proyecto:

New / Project Analog or Mixed A/D / OK Create Pspice Project / OK


Figura 9: Creación de un nuevo proyecto Se implementa el circuito de la Figura 8. Se elige un nuevo perfil de simulación

New simulation profile / Create

Figura 10: Implementación del circuito en ORCAD


Figura 11: Creación del perfil de simulación Editar los parámetros de simulación: Analysis type: Time Domain (Transient) Options: General settings Run to Time: 200 µs Start saving data after: 0.1 µs Transient options: Maximum step size: 1 µs

Output File Options

Figura 12: Edición de parámetros de simulación Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 14 de 21

Ubicamos un marcador de voltaje, Voltage Marker , en el emisor del transistor. Corremos el circuito con Pspice / Run

Figura 13: Inicio de simulación

Figura 14: Voltaje de salida Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 15 de 21

8.2 Obtención de la ganancia Pspice / Edit simulation Setting

Figura 15: Edición de parámetros de simulación Editar los parámetros de simulación

Analysis type: AC Sweep/Settings. AC Sweep Type: Logarithmic. Start Frequency: 0.1 End Frequency: 10G Points/Decade: 100

Output File Options


Figura 16: Análisis AC Sweep Pspice / Run

Figura 17: Ganancia del multietapa


9. IMPLEMENTACION DE LA ETAPA DE POTENCIA Se opta por el acoplamiento de una etapa amplificadora de potencia clase AB, como ya se ha dicho anteriormente, el esquemático de esta etapa se puede apreciar en la figura 18:

Figura 18: Etapa de potencia clase AB

Figura 19: Circuito multietapa con amplificador de potencia clase AB Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 18 de 21

Figura 20: Voltaje de salida con etapa de potencia

Figura 21: Ganancia Total Electrónica 3 – Lab01, Amplificador multietapa (@Autor: Jose Alejo Rangel, Editado por : Marco Aurelio García Bermúdez) Página 19 de 21

10. EJECUCIÓN 10.1 Diseñe un amplificador multietapa discreto con las siguientes características: a) Ganancia de voltaje mayor o igual a 250 ± 2%. (Medido a 20 KHz). b) Manejo de señal a la salida: 12 V pico a pico. (Medido a 20 KHz). c) Resistencia de entrada mayor o igual 100KΩ. d) Resistencia de salida igual a 8Ω. e) Punto terminal de -3dB de baja frecuencia menor o igual a 40Hz (F L≤40Hz). f) Punto terminal de -3dB de alta frecuencia mayor o igual 40Khz (F H≥40KHz). g) Respuesta en la banda de paso máximamente plana. h) El amplificador debe estar compensado con respecto a variaciones de temperatura. i) Fuentes de alimentación de ± 12v.

10.2 Elabore, siga y desarrolle, la simulación que demuestre que se cumplen cocada uno de las especificaciones anteriores. Deberá entregarse un archivo para cada uno de los ítems anteriores (Las simulaciones solo se aceptan en ORCAD).

10.3 Realice un proyecto de diseño que incluya: a) Incluya los cálculos realizados para cumplir los parámetros del punto No. 10.1. b) Tabla con los valores esperados para los parámetros exigidos. c) Circuito diseñado con valores de voltajes y corrientes de polarización. d) Procedimiento para medir las características solicitadas en el punto No. 10.1. e) Hojas de especificaciones de los dispositivos semiconductores utilizados, justificando su escogencia.

11. PROFUNDIZACIÓN El circuito de la figura 22 corresponde a una casada de amplificadores BJT de tres etapas, acopladas en CD, fabricados a partir de dispositivos discretos. a. Analice el circuito multietapa que se presenta y determine la excursión máxima para el voltaje de salida. b. Estime los valores de polarización, la ganancia aproximada en pequeña señal, además de la Rout y Rin.


Figura 22: Ejercicio para profundización

12. CONCLUSIONES 13. BIBLIOGRAFÍA A. Gullo, J. (1992). Diseño Electrónico: Circuitos y Sistemas . Argentina. Boylestad, Robert L. (1997). Electrónica: Teoría de Circuitos . México. Horenstein, Mark. (1997). Microelectrónica: Circuitos y Dispositivos . México. Malvino, Albert Paul. (2000) Principios de Electrónica . (6ta Edición). España. Neamen, Donald A. (1999). Análisis y Diseño de Circuitos Electrónicos , Tomo I. México. Savant, C.J., Roden Martin S., Carpenter Gordon. (2000). Diseño Electrónico. Circuitos y Sistemas. (3ra edición). México. Sedra, Adel. (2006). Circuitos Microelectrónicos , (5ta Edición). México.


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