Diseño de un amplificador de pequeña señal con transistor BJT. Por: Danny Ochoa Correa. Introducción: Para realizar un correcto diseño, se requieren de varias iteraciones y paciencia. 1) Información disponible El transistor BJT 2N3904 (NPN) se encuentra disponible en el mercado local, por tanto, será utilizado para este estudio. Los datos proporcionados por el fabricante suelen ser de gran utilidad, pues permite disponer de información de primera mano para la fase de diseño. Sin embargo, es sabido que los parámetros indicados en aquel documento fueron obtenidos experimentalmente en condiciones particulares. Siempre es recomendable determinar estos parámetros in-situ, pues fenómenos térmicos, información de diferentes fabricantes, pueden distar de su funcionamiento real. De acuerdo con la información proporcionada por FAIRCHILD-Semiconductor®:
. c S M , a e r r o C
Tabla 1. Datos del transistor 2N3904. A continuación, se corroborará experimentalmente estos parámetros y se obtendrá la curva de características.
a o h c O y n n a D
Usando la herramienta DC-Sweep de NI-Multisim, se procederá a graficar las características V-I del transistor, para valores de I B comprendidos entre 0-100uA y VCE desde 0 hasta 10V. Nótese que estos rangos se encuentran muy alejados de los límites máximos de funcionamiento, lo cual es deseable, a fin de salvaguardar la integridad del dispositivo.
IB
Q1 VCE 1V
1uA
2N3904
Figura 2. Esquema de prueba implementado en NI-Multisim.
IB=100μA IB=80μA
Punto Q
IB=60μA
IB=40μA
IB=20μA IB=0μA
Figura 3. Características VI del transistor 2N3904.
2) Establecer el punto de operación en CC (Q) En primera instancia, se debe establecer un adecuado punto de funcionamiento. Como se había estudiado en clases, para aplicaciones de amplificación, este punto debe garantizar una amplificación libre de distorsión, es decir, que en su funcionamiento en CA el punto no entre ni en corte ni en saturación. En la figura 3, se ha remarcado un punto en donde, para una I B=60uA y un VCE=4V se tiene una IC=10mA. Estos parámetros definirán el punto Q de este diseño. Es
. c S M , a e r r o C a o h c O y n n a D
importante aclarar que, en realidad, se puede tomar cualquier punto de las características y que éste es un ejemplo en particular. Por fines de verificación, se somete al transistor a estas condiciones de operación y se miden sus principales variables (figura 4).
+
9.972m
U2
A
-
U1 -
+
0.060m
VCE 4V
Q1 +
4.000
A
V
U4
-
2N3904 IB 60uA
+
0.728
V
U3
-
Figura 4. Medición de los parámetros que definen el punto Q. Parámetro Medidor Valor IC U2 9.972mA IB U1 60uA VBE U3 0.728V VCE U4 4V Tabla 1. Parámetros que definen el punto Q. Ampliando la visualización de la figura 3, se determina el factor de amplificación de corriente, β, y la resistencia de salida del transistor, ro (Ver figura 5). . c S M , a e r r o C a o h c O y n n a D
IC=10mA VCE=4V Punto Q
IC=10.08mA VCE=4.6V
IB=60μA
Figura 5. Determinación de β y ro.
I CQ I BQ
10mA 60 A
166.6
167
I C 10.08mA 10 mA VCE 4.6V 4V I C 1 m 133 S r 0 VCE r0 7.5k
m
Las reflexiones que se pueden hacer hasta este instante son: que beta se encuentra dentro del rango que garantiza el fabricante, y que para este punto de operación, el valor de conductancia de salida del transistor se encuentra muy por encima del especificado hoe=40uS. 3) Selección del circuito de polarización y análisis en CC. Dado que, beta es un parámetro muy importante y sensible del transistor BJT, se usará el circuito de polarización por divisor de tensión (Figura 6), dada sus excelentes prestaciones al garantizar un punto de operación estable ante cambios de beta debido a los cambios de temperatura.
. c S M , a e r r o C a o h c O y n n a D
VCC
RC C2
R1 Q2
C1
2N3904 R2 RE
C3
Figura 6. Circuito de polarización por divisor de tensión. Se asume un valor de 24V para el diseño de la fuente de CC. Una vez más se hace énfasis en que se podría utilizar cualquier otro valor comercialmente disponible. A continuación, se determinarán sus parámetros. Las deducciones de las ecuaciones correspondientes se dedujeron en clases. Datos de diseño: VCC=24V ICQ=10mA VCEQ=4V IBQ=60uA VBEQ=0.7V De la malla colector-emisor se tiene que: VCE VCC IC RC RE 4V
24V 10mA RC RE RC RE 2k
Ahora, se distribuye este valor a las resistencias teniendo en cuenta que la ganancia de tensión en CA, AV, es directamente proporcional a la resistencia R C. Si se desea obtener un alto valor de A V, se asignará mayor resistencia a R C que a R E. Asumiendo RC 1.8k , la resistencia de emisor será: R E 200 .
. c S M , a e r r o C a o h c O y n n a D
De la malla base-emisor se tiene que: I B
Donde:
Eth
R2 R1 R2
V CC
Eth V BE Rth RE 1 Rth
y
R1R2 R1 R2
Realizando un manejo adecuado de las ecuaciones anteriores se obtiene : R2 R1 R2 I B R1R2 R1 R2
VCC V BE
R E 1
R2 R1 R2 60 A R1R2 R1 R2
24V
0.7V
200 167 1
Asumiendo R1 10k , y despejando R2: 1.32k R2
Encontrados estos datos, se determina E th: Eth
1.32k 10k 1.32k
24V
2.78V
Ya con el diseño del circuito de polarización en CC listo, se procede a simularlo para verificar el valor de las variables de interés. . c S M , a e r r o C a o h c O y n n a D
VCC 24V
+
9.947m
A
U1
-
RC 1.8kΩ
R1 10kΩ
U3
Q2 -
+
0.060m
+
4.095
A
V
U2
-
2N3904 R2
+
2.729
V
1.32kΩ
U7
RE 200Ω
-
Figura 7. Circuito de polarización CC por divisor de tensión simulado en NI-Multisim.
Parámetro IC (mA) IB (uA) VCE (V) Eth (V)
Diseño
Medido 9,948 60 4,094 2,729
10 60 4 2,78
Error relativo 0,52% 0,00% 2,35% 1,83%
Tabla 2. Comparación entre parámetros esperados y medidos. La tabla 2 muestra que el diseño es correcto, y se puede continuar con el análisis de pequeña señal. 4) Análisis de pequeña señal en CA (Sin carga). Se procede a determinar la ganancia de tensión, A V, que tendría el circuito en estudio. Para ello, primero se determina la resistencia de emisor, del modelo r e. La deducción de las ecuaciones se realizó en clases. r e
26mV
I E
26mV
1 I B
26mV
167 1 60 A
r e 2.6 Av
RC / / ro r e
1.8k / /7.5k
Av 558
2.6
. c S M , a e r r o C a o h c O y n n a D
Ai
ro R1 / / R2
RC ro R
1
/ / R2
r e
Ai 98.14
Para el correcto acondicionamiento de las señales de entrada y salida, se diseñan los condensadores de acoplamiento y desacoplamiento para garantizar un punto Q estable en el emisor. Se considerará que la señal a amplificar, es una señal de audio (sinusoidal) de amplitud 1mV y con frecuencia 10kHz. Zi R1 / / R2 / / re 10k / /1.32k / / 167 2.6 Zi 10k / /1.32k / / 167 2.6 Z i 316.4
Condensador de acoplamiento, C1 (de acuerdo a la recomendación de P. Malvino): X C 0.1Z i 1
C 1
10 2 fZi
10 2 10kHz 316.4
C1 0.5 F
Por tanto, para la implementación se tomará un C1=10uF. Debido a que no se dispone de resistencia de carga, el valor tomado para C1 sería más que suficiente para acoplar la señal amplificada en la salida C2=C1=10uF. Condensador de desacoplamiento, CE (recomendación de P. Malvino): X C E 0.1RthE
Por tanto, previamente se debe determinar la resistencia de Thévenin vista desde los terminales de la resistencia de emisor: 1
RthE
1
RE
ro / r e 1 ro RC re / / RE r e RthE 3.2
C E
10 2 10kHz 3.2
C E 50 F
Por tanto, para la implementación se tomará un C E=50uF para garantizar un adecuado desacoplamiento de la señal de CA del emisor.
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Ahora bien, se aplica una señal senoidal de 10kHz de amplitud 1mVpp en la entrada de la configuración para validar el diseño realizado. VCC 24V +
Ext Trig +
+
U4 -
+
2.010u
V1
0.707m
V
U5
A
U1
RC 1.8kΩ
10kΩ
-
9.947m
_
+
R1
+
U8
-
B _
A
+
_ A
0.191m -
XSC1
C2 U9
C1
1.416u
A
U3 -
+
A
0.060m
10uF +
4.094
A
V
U2
-
10uF
1mVpk 10kHz 0°
Q2 -
+
2N3904
+
0.345
+
2.729
V
U7
V
U6
-
R2 1.32kΩ
RE 200Ω
-
C3 50uF
Figura 8. Preampificador de audio simulado en NI-Multisim.
Figura 9. Señales a la entrada (color naranja) y a la salida (color verde) del preamplificador.
Parámetro AV Ai Zi (Ω)
Diseño -558 98.14 316
Medido -483 95 351
Error relativo 12.7% 3.2% 11%
Tabla 3. Comparación entre parámetros esperados y medidos.
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5) Análisis de pequeña señal en CA (Con carga). TAREA: Realizar el mismo análisis (puntos 1-4) conectando una carga de 330Ω a la salida del preamplificador.
VCC 24V +
Ext Trig +
+
+
U4 -
2.008u
+
0.707m -
V
U5
1mVpk 10kHz 0°
A
U1
RC 1.8kΩ
10kΩ
V1
9.947m
_
R1
+
U8
-
B _
A
+
_ A
0.036m -
XSC1
C2 U9
C1
1.410u
A
A
Q2 -
+
0.059m
10uF +
4.094
A
V
U2
-
10uF
2N3904
2.729
V
U7
1.32kΩ
RL
+
0.063
V
U6
330Ω
-
R2
+
-
U3 -
+
RE 200Ω
C3 50uF
. c S M , a e r r o C a o h c O y n n a D
