LABORATORIO DE ELECTRONICA II. PRACTICA # 5. “AMPLIFICADOR “AMPLIFICADOR EN BASE COMUN” COMUN”
OBJETIVO: Diseñar y construir un amplificador en base común; y comprobar sus características eléctricas eléctricas tales como Zi, Zo, Av y Ai.
MATERIAL: -
Osciloscopio.
-
Generador de Funciones.
-
Proto.
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Puntas.
-
Transistor NPN.
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Capacitores.
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Multimetro.
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Resistencias y Potenciómetros.
MARCO TEÓRICO BASE COMUN La configuración en base común. Esta configuración no produce ganancia de corriente, pero sí de la tensión y además tiene propiedades útiles en altas frecuencias. En la práctica, los valores de los parámetros no se obtienen necesariamente por medio de las pendientes de las curvas. Frecuentemente se usan valores tabulados de los parámetros, para un punto de operación dado. Se puede observar que para cada parámetro se da un valor central de diseño como también valores máximos y mínimos. Los intervalos de valores para cada parámetro indican que en la práctica es razonable hacer algunas aproximaciones. Las hojas de datos suministradas por los fabricantes, generalmente no muestran curvas características características de entrada entrada (Base o Emisor), Emisor), pero contienen las curvas curvas características estáticas de colector de las conexiones emisor y base común, para una temperatura ambiente dada.
MODELO DEL AMPLIFICADOR EN B. C. A continuación se mostrará el amplificador en base común:
(a)
(b)
Figura 1.0 (a) y (b) Amplificador B. C. con transistor NPN. Ahora mostraremos el circuito equivalente de CC.
(a)
(b)
Figura 1.1 (a) y (b) Circuito equivalente de C. C. El circuito de la figura 1.1 corresponde al análisis de circuito de polarización por divisor de voltaje.
A continuación se mostrará el circuito equivalente de CA
Figura 1.2 Circuito equivalente de C. A.
Figura 1.3 Circuito equivalente del Amplificador Base Común de CA.
DISEÑO DEL AMPLIFICADOR Para el diseño de este amplificador hemos decidido emplear una polarización por divisor de tensión debido a la gran estabilidad que ofrece a los cambios en β, el punto de operación escogido para nuestro transistor será en ICQ=1mA, VCEQ=6Volts; de ver el modelo de AC podemos decir que la ganancia de voltaje (es sin tomar en cuenta la resistencia interna del generador y la resistencia de carga) es:
GV
Vcb Veb
hf b
RC hib
Para simplificar más lo anterior recordemos que hfb es aproximadamente igual a -1 y que hib es aproximadamente igual al voltaje térmico entre ICQ, así que tenemos que:
GV
Vcb Veb
hf b
RC hib
1
RC V T I CQ
El teorema de máxima transferencia de potencia nos indica que para obtener la mayor potencia posible a la salida, RL tiene que ser igual a RC (debido a que ZO=RC); también debido a ello si en la ecuación anterior proponemos una GV de valor X al momento de conectar una RL = RC la ganancia real que veremos en la carga será de X/2; queremos obtener una ganancia real en la carga de 100, así que es por eso que los cálculos los haremos tomando en cuenta una GV supuesta de 200, tomamos en cuenta que nuestro transistor tiene una β igual a 200, despejamos RC y tenemos:
RC Gv
V T
200
I CQ
.025 1mA
5000
y en consecuencia:
R L
5000
El VCC que recibe el amplificador será de 12 Volts, así que por la LVK podemos calcular nuestra RE:
R E
V CC V CE Q I CQ
RC
12V 6V
5000
1mA
1000
Para que nuestra polarización sea estable a los cambios en β usaremos el siguiente criterio:
R B
V BB
V BE Q I CQ R B
R 1 1
R 2
V B B V C C
V C C V B B
R B
1 10
R B
R E
RE
20000 1
12 1.8
1.8 V
1 10
200 1000
0.7 .001 A
23529.4
12 V
20000
133333
20000
20000 200
1000
1.8 V
Las impedancias de entrada y salida serán de:
hie
hib
Zi
V T
.025V
hfe
I CQ
.001 A
hie
5000
hf e 1
200
RE hib
1000
200
1
24.8756
24.8756
Zo RC
5000
24.2718
5000
Los valores mínimos de los capacitares para una frecuencia de 1 kHz serán de:
Rci
rs Zi Xci
Ci
50
24.2718
1 10
Rci
7.42718
1 2 (1000 Hz)(7.42718 )
Rco RC
R L Xco
Co
5000 1 10
Rco
74.2718
5000
21.42 F
10000
1000
1 2 (1000 Hz )(1000 )
.16 F
Rcb R B hfe 1 rs RE
20k
hie Xcb
1 10
201 50 1k
4561 .65
456 .165
Rce 1
Cb
5k
34.89 F
2 (1000 Hz )(456 .165 )
Y la ganancia de corriente:
Ai
5000 5000
.995
5000
1000 1000
24.8756
.485437
En este momento cabe hacer una pausa para recalcar algunos datos importantes. Tanto la ganancia de voltaje como la ganancia de corriente tienen signos positivos, lo cual indica que al contrario del amplificador en emisor común, el de base no invierte las fases, también es obvio notar que la ganancia de corriente es inferior a la unidad, cumpliéndose así la característica de que este tipo de amplificador no presenta ganancia de corriente, solo de voltaje. Por último la característica más importante a notar es la baja impedancia de entrada (24.2718 Ohms), como recordaremos, al momento de hacer los cálculos tomamos rs como si fuera cero (un generador ideal). En la práctica rs es de aproximadamente 50 Ohms, más del doble de la impedancia de entrada de nuestro amplificador, esto significa que al momento de conectar nuestro generador 2/3 de Vs caerán en rs y solo 1/3 del voltaje se aprovechará en el amplificador. Obviamente esto significará que nuestra ganancia calculada de 100 se verá afectada en función de la magnitud de rs. Si tomamos una rs = 50 Ohms, la ganancia real de voltaje será de:
Av
.995
5000
5000
24.8756
1000 50
24.8756
1000
En resumen las características de nuestro amplificador serán:
24.8756
32.84
Vcc = 12 Volts Vceq = 6 Volts Icq = 1 mA β = 200
rs = 50 Ohms RL = 5000 Ohms RC = 5000 Ohms
RE = 1000 Ohms R2 = 133333 Ohms R1 = 23529.4 Ohms Ci = 21.42 μF Co = .16 μF
Cb = 34.89 μF Zi = 24.8756 Ohms
Zo = 4500 Ohms Gi ≈ .4854 Gv (calculada; sin tomar en cuenta rs) ≈ 100 Gv (tomando en cuenta rs) ≈ 32.84
ARMADO Y SIMULACIÓN Se realizo la simulación correspondiente en Multisim 7 con los valores anteriormente calculados, cabe señalar que el generador se tomo como ideal (rs = 0 Ohms), y por facilidad todos los capacitores fueron sustituidos por unos con valor de 100 μF, las imágenes se muestran a continuación:
Para la construcción física del circuito, se optó por usar resistencias variables (potenciómetros) para hacer coincidir los valores calculados de los resistores con los valores reales y así no tener que depender de los valores comerciales disponibles.
Todos los capacitores calculados fueron sustituidos por capacitores de 100μF. La imagen obtenida en el osciloscopio con el circuito anterior se muestra la siguiente figura, al momento de tomarla no se tomo en cuenta los efectos de rs (generador ideal).
La ganancia de voltaje sería la señal de salida entre la señal de entrada:
Gv
V L
1.041V
Vs
10.7mV
97.2897
RESULTADOS A continuación se muestra el valor de la ganancia de voltaje obtenida tanto para la simulación como para el circuito físico, también se presentan los errores porcentuales entre lo obtenido y lo calculado para ambos casos: Resultado esperado Simulación Circuito físico
100
Resultado obtenido 81.26 97.28
Error porcentual 18.73% 2.72%
El error porcentual del circuito hecho en la simulación está por encima del 5%, lo cual se puede deber en su mayoría a que la beta del transistor virtual no coincide con la beta del transistor usado en la práctica (la cual es igual a 200), para el caso del circuito físico el porcentaje de error está por debajo del 5%, lo cuál se puede considerar como un error bastante aceptable.
CONCLUSIONES Durante la prueba de este tipo de amplificador notamos que era más difícil ajustar la señal, sobre todo al momento de compararlo con el emisor común. La señal de salida se distorsionaba fácilmente, e incluso se distorsionaba primero antes de recortarse la onda senoidal, y la señal de entrada también se llegaba a deformar al momento de conectar el generador al circuito, para solucionar este problema tuvimos que emplear una señal muy pequeña a la entrada y así obtener a la salida una señal amplificada, pero también bastante pequeña (1 volt aproximadamente). La ganancia de este tipo de amplificador puede llegar a ser bastante engañosa debido a su baja resistencia de entrada, al momento de tomar las mediciones con el generador conectado directamente al circuito la ganancia a la salida era de aproximadamente 100, pero al momento de medir la señal proveniente del generador de manera separada al resto del amplificador y ver el voltaje real y el voltaje que caía en rs, nos percatamos que nuestra ganancia real era de 33 aproximadamente, lo cuál es algo que no se puede notar al momento de hacer la medición directamente en el circuito. En general el diseño, armado y prueba del amplificador en emisor común fue más sencillo que el base común, pero este también ofrece varias características propias que tuvimos la oportunidad de comprobar en esta práctica, uno de las principales es que NO invierte la fase (como podemos ver en las imágenes) y además no nos ofrece ganancia de corriente. Ambos, el emisor y el base común, dan ganancias de voltaje elevadas, pero la decisión de cuál emplear dependerá de las características particulares que deseemos obtener.
