2010
ELECTRONICA III AMPLIFIC AM PLIFICADOR ADOR MULT ULTIET IETAPA APA El presente presen te trabajo trabajo es e s un guía para reforzar los conocimient con ocimientos, os, y enfatizar en el análisis y diseño de amplificadores amplificadores mult multietapa. ietapa.
ING. JOSE ALEJO RANGEL ROLÓN UNIVERSIDAD FRANCISCO FRANCISCO DE PAULA SANTA S ANTANDER NDER II SEMESTRE 2010
NINGUNO PUEDE PUE DE SER GRANDE GRANDE EN E N UNA UN A PROFESION SIN AMARLA, AMARLA, AM AMAD AD LA VUESTR VU ESTRA A Y HACEDLA HACEDL A AMA AMAR R DE VUESTR VU ESTROS OS CONCIUDADANOS CONCIUD ADANOS POR UNA CONDUCTA CONDU CTA NOBLE, DULCE DULC E Y VIRTU VIRTUOSA. OSA. “
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FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
AMPLIFICADORES MULTIETAPA
Ing. José Alejo Rangel Rolón
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA ELECTRONICA SAN JOSE DE CUCUTA 2010
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION ................................................................................................................. 1 RAZONES PARA ELEGIR UN AMPLIFICADOR MULTIETAPA ............................. 2 FUNCION DE CADA UNA DE LAS ETAPAS ............................................................... 2 TIPOS DE ACOPLAMIENTO............................................................................................ 4 ACOPLAMIENTO INDIRECTO O CAPACITIVO ...................... .......................................... .. 5 ACOPLE DIRECTO ................................................................ ............................................. . 10
TALLER .............................................................................................................................. 15
INTRODUCCION Cuando se hace referencia a un amplificador, decimos que es circuito capaz de procesar las señales de acuerdo a la naturaleza de la aplicaci ón. Lo que se busca es realizar la amplificación sin distorsionar la señal, sin perder información. Las etapas amplificadoras con un solo transistor (o monoetapas) tienen amplias posibilidades de diseño de sus características, ganancia de tensión, corriente y resistencia de entrada y salida. Sin embargo hay muchas circunstancias donde los parámetros que deseamos para un amplificador no se logran mediante un monoetapa. Por esto empleamos amplificadores multietapa o que usan más de un transistor. Para cambiar los parámetros del amplificador el camino más directo y obvio es conectar en cascada amplificadores monoetapa, es decir conectar la salida de una etapa directamente en la entrada de la siguiente etapa. De esta manera se logra cambiar la ganancia adicional y/o la modificación de la resistencia de entrada y/o la resistencia de salida. El gran inconveniente es el gran número de componentes necesarios para lograr el diseño deseado.
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RAZONES PARA ELEGIR UN AMPLIFICADOR MULTIETAPA Las razones básicas para elegir un amplificador multietapa por encima de un amplificador monoetapa incluyen una o más de las siguientes características: Mayor ganancia. Modificación de la impedancia de entrada. Modificación de la impedancia de salida.
FUNCION DE CADA UNA DE LAS ETAPAS La primera etapa por lo general debe tener una elevada resistencia de entrada para evitar la pérdida de señal cuando el amplificador se alimente desde una fuente de elevada resistencia. Las etapas en base común (BC) tienen buena ganancia de tensión pero no ganancia de corriente. La baja resistencia de entrada de estas etapas produce una reducción de la ganancia a la etapa previa por ello no son usadas como etapas intermedias, por lo tanto estas etapas son más útiles como etapas iniciales de baja resistencia de entrada, cuando la fuente de señal así lo requiera, como el caso de las fuentes de corriente. Caso contrario podrá usarse un emisor común EC. La carga en el primer amplificador es la resistencia de entrada del segundo amplificador. No es necesario que las diferentes etapas tengan las mismas ganancias de tensión y de corriente. En la práctica, las etapas iniciales suelen ser amplificadores de tensión y la última o las dos últimas con amplificadores de corriente La función de las etapas intermedias es producir la mayor parte de la ganancia de tensión. Las etapas en emisor común (EC) son ideales para incrementar la amplificación. Exhibe una ganancia de tensión y corriente considerable, además cuando se conectan en cascada la relativa alta resistencia de entrada de estas etapas no cargan significativamente las etapas previas (la ganancia de tensión es una función de la carga). La función de la última etapa es producir una baja resistencia de salida para evitar la pérdida de ganancia cuando una resistencia de carga de bajo valor se conecte al amplificador. .
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Los principios de diseño para un amplificador conectado en cascada generalmente son: La ganancia en una etapa se determina por la carga de ésta, que se gobierna por la resistencia de entrada a la siguiente etapa. Por tanto cuando se diseñan o analizan amplificadores multietapa, se hace comúnmente de la salida y se continúa hacia la entrada. En un amplificador multietapa, las etapas individuales pueden ser esencialmente idénticas o radicalmente distintas. Las técnicas de realimentación se pueden emplear tanto a nivel individual como a nivel funcional, o en ambos, y con la finalidad de obtener estabilidad de la polarización o de la ganancia, reducción de la impedancia de salida, etc. Al diseñar un amplificador debemos buscar siempre el doble o mas de ganancia, por el acople entre etapas, y así poder tener la salida deseada. Los transistores beben estar polarizados adecuadamente en continua, para definir el punto de trabajo Q, el cual se moverá dependiendo de la señal de entrada. Si se tiene una impedancia de entrada de valor bajo, se recomienda que la etapa inicial no sea colector común, para lo demás se puede usar un emisor común. Las etapas intermedias deberían ser Emisor Común. La etapa final no debería ser Base Común si se tiene una impedancia de salida bajo, para lo demás se puede usar un Emisor Común. En el amplificador multietapa cada etapa debe diseñarse con una ganancia máxima, menor o igual a 30 (Amáx≤30) a fin de asegurar que el transistor opere adecuadamente. La ganancia del amplificador multietapa debe distribuirse de mayor a menor, es decir que la ganancia de la primera etapa sea mayor que la de la segunda etapa y así sucesivamente (A1>A2>A3>…>An) para evitar que la distorsión generada en cada etapa sea amplificada, asegurando de esta manera estabilidad en el amplificador. En la salida de voltaje de cada una de las etapas del amplificador, debe asegurarse que el voltaje en ese nodo sea cero para asegurar la máxima excursión de la señal de salida.
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Para efectos de potencia, es aconsejable que los amplificadores multietapa utilicen dos fuentes de voltaje para la polarización, VCC y VEE (Figura 2) ya que esta configuración permite que la corriente sea drenada más fácilmente a tierra lo que resulta en una disminución del consumo de potencia que si solo tuviera a VCC (Figura 1).
Figura.1 El circuito necesita drenar la corriente a tierra (Z2) a través de (Z’) y genera más consumo de potencia.
Figura.2 El circuito drena la corriente más fácilmente a tierra usando esta configuración y no hay tanto consumo de potencia.
TIPOS DE ACOPLAMIENTO Cada etapa de un multietapa se puede acoplar de varias formas que son: acople directo y acople con condensadores.
Figur a 3
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ACOPLAMIENTO INDIRECTO O CAPACITIVO Permite desacoplar los efectos de polarización entre las etapas. Permite dar una mayor libertad al diseño pues la polarización de una etapa no afectará a la otra. En AC:
Figur a 4
En la figura 4 se muestra un amplificador de dos etapas conectado en cascada que está compuesto de dos etapas amplificadoras idénticas. Se desea determinar las ganancias de tensión y corriente para señal (desde el generador hacia la carga) y las resistencias de entrada y salida.
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Figur a 5
β = hFE = 150, V A = 350, V CC = 15 V Las resistencias del circuito son: Rb11 = Rb12 = 82 kΩ, Rc1 = Rc2 = 2,2 kΩ Rb21 = Rb22 = 12 kΩ, Re1 = Re2 = 430 Ω Rs = 100 Ω RL = 2,7 kΩ
Solución Para hallar los parámetros de los amplificadores multietapas se hacen los siguientes pasos (similar a los amplificadores monoetapas): 1. Dibuje el circuito equivalente para en analisis en DC. Use para los transistores un modelo de polarización apropiado (circuito o analítico). 2. Determine las condiciones de polarización del circuito, verificar la región activa para los BJTs. 3. Determine los parámetros del modelo de señal de los transistores a partir de las condiciones de polarizacion. 4. Dibuje el circuito equivalente para pequeña señal. 5. Determinar los parámetros de cada etapa remplazando los transistores por sus respectivos modelos de señal o usando previamente los resultados derivados por la topología del circuito.
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6. Reúna los resultados del análisis de polarización y los resultados del análisis de señal de cada etapa. 7. Reúna los resultados del análisis de polarización y de señal individuales para obtener la ganancia total del circuito.
Análisis para polarización Se comienza el análisis de la etapa que contiene al transistor Q 1. El circuito equivalente para la polarización luego del remplazo del circuito de base por su equivalente de Thévenin es:
Figur a 6
Rth = Rb11||Rb21 = Rb11*Rb21 /( Rb11+Rb21) = 10,47 kΩ Vth = VCCRb21/( Rb11+Rb21) = 1,915 V Las corrientes de base y de colector son: Vth – IBRth – VBE – IERE = 0 Pero
IC = βIB
y
IE = IB + IC = (β + 1)IB
Vth – IBRth – VBE – IB(β + 1)RE = 0 IB1= (V th – V BE)/[Rth + (β + 1)RE] = 16,11 μ A IC = βIB = 2,417 mA La tensión V CE es: VCE1= ICRC1 – VCE – IERE1=0
IE
IC
≅
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VCE = VCC – IC1(RC1 + RE1) = 8,63 V Como VCE = 8,63 V es mayor que V CEsat = 0,2 V, el transistor Q 1 está en la región activa. Los parámetros h del transistor son:
β = hFE = 150; r π =hie = (β + 1)(nV t/|Ic)= 1,624k
hoe = | Ic / Va | = 6,906x10 -6 1/Ω En este amplificador las dos etapas están polarizadas idénticamente. Por lo tanto las condiciones estáticas en cada etapa y los parámetros h son los mismos. Cuando las etapas no son idénticas las condiciones de polarización y los parámetros del transistor deben ser obtenidas para cada etapa.
Análisis para señal El circuito equivalente de señal se observa en la figura 7.
Figur a 7
Donde,
Rb1 = Rth = Rb11||Rb21= 10,47k
Rb2 = Rb12||Rb22=10,47k
Este modelo de señal muestra un amplificador conectado en cascada que consiste de dos etapas en EC con resistencia de emisor. La resistencia de entrada para una etapa en EC + R E es: Ri = hie + (hfe + 1)RE
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Como las etapas son idénticas (R E1 = RE2) se tiene: Ri1 = Ri2 = hie + (hfe + 1)RE= 66,55k La resistencia total de entrada del amplificador es la resistencia de entrada de la primera etapa, Ri = Rb1||Ri1=9,046k La resistencia total de salida del amplificador es la resistencia de salida de la segunda etapa, R0 = R02 = (V / i) |Vs=0 = Rc2 || Rot ≈ Rc2
pues Rot ≈ ∞
Ro ≈ Rc2= 2,2k
Se asume que hre y hoe son aproximadamente igual a cero. La ganancia de tensión para una etapa en EC + R E es: AV = (-hfe Rc) / hie + (hfe +1)Re = (-hfe Rc) / Ri La única cantidad indeterminada en la expresión de ganancia es la resistencia total conectada al colector R c . Para la primera etapa R c es la combinación en paralelo de Rb2, Rc1 y la resistencia de entrada de la segunda etapa R i2, o sea (Rc = Rb2//RC1//Ri2). Para la segunda etapa R c es la combinación en paralelo de R c2 y RL (Rc = Rc2//RL). Aunque las etapas son idénticas, las diferentes cargas de cada etapa producen una variación en algunas de las características de la etapa. La ganancia de tensión para cada etapa es: AV1= (-hfe Rc ) / Ri1 = -3,98 AV2= (-hfe Rc ) / Ri2 = -2,73 La ganancia de tensión total está dada por el producto de las etapas individuales y un divisor de tensión en la entrada. Av = Vo / Vi = (A v2)(Av1)(Ri / (Ri + Rs) ) = 10,75 La ganancia de corriente se obtiene a partir de la ganancia de tensión, a saber:
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Ai= 36,40
ACOPLE DIRECTO Mientras que el acoplamiento capacitivo de etapas tiene su principal ventaja en el aislamiento de la polarización de las etapas individuales, tiene como desventaja la degradación en baja frecuencia. Además el aislamiento de la polarización necesita la polarización individual de cada transistor en la región activa para los BJTs. La polarización individual puede incrementar significativamente el número de elementos en la polarización lo cual incrementará el tamaño, costo y el consumo de energía de un amplificador. Es por eso ventajoso cuando sea posible acoplar directamente las etapas. Un ejemplo de conexión con acoplamiento directo
Figur a 8
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En un circuito de dos etapas con acoplamiento directo la polarización de la segunda etapa se toma directamente de la primera etapa.
Análisis para polarización La primera etapa tiene un circuito autopolarizado en el cual se desprecia la pequeña corriente que circula por la resistencia R 6: Vth = VCCR2/(R1 + R2) = 1,09 V Rth = R1||R2 = R1R2/(R1 + R2) = 9,09 kΩ Vth – IB1Rth – VBE1 – IE1R4 =
Figur a 9
IE1 = IB1 + IC1 = IB1 + β1IB1 = (β1 + 1)IB1 Vth – IB1Rth – VBE1 – IB1(β1 + 1)R4 = 0 Vth – VBE1 – IB1[Rth + (β1 + 1)R4] = 0 IB1 = (Vth – VBE1)/[Rth + (β1 + 1)R4] = 9,19 μ A IC1 = β1IB1 = 0,92 mA VCC – (IC1 + IB2)R3 – VBE2 – IE2R5 = 0 Ec(7)
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Si IE2 = IB2 + IC2 = IB2 + β2IB2 = (β2 + 1) VCC – (IC1 + IB2)R3 – VBE2 – IB2(β2 + 1)R5 = 0 VCC – VBE2 – IC1R3 – IB2[R3 + (β2 + 1)R5] = 0 IB2 = (VCC – VBE2 – IC1R3)/[R3 + (β2 + 1)R5] = 55,50 μ A VCC – (IC1 + IB2)R3 – VCE1 – IE1R4 = 0 IE1 = IB1 + IC1 = IC1/β1 + IC1 = [(β1 + 1)/β1]IC1
IC1 si β1 >> 1
≅
VCC – IC1R3 - IB2R3 – VCE1 – IC1R4 = 0 VCC – VCE1 – IB2R3 – IC1(R3 + R4) = 0 Vce1 = VCC – IB2R3 – IC1(R3 + R4) = 5,92 V IC2 = β2IB2 = 5,55 mA VCC – VCE2 – IE2R5 = 0 IE2 = IB2 + IC2 = IC2/β2 + IC2 = [(β2 + 1)/β2]IC2
IC2 si β2 >> 1
≅
VCC – VCE2 – IC2R5 = 0 VCE2 = VCC – IC2R5 = 6,45 V A n ális is pa ra s eñ al
El circuito equivalente de la primera etapa
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Figur a 10
La ganancia de tensión de la primer etapa es: Av1 = vo1/vi vi = i b1hie1 + ib1(hfe1 + 1)R4 = i b1[hie1 + (hfe1 + 1)R4] vo1 = - hfe1i b1(R3||Ri2) Av1 = - hfe1(R3||Ri2)/[hie1 + (hfe1 + 1)R4] Donde Ri2 es la resistencia de entrada de la segunda etapa. El circuito equivalente de la segunda etapa La impedancia de entrada de la segunda etapa es: Ri2= hie2 + (hfe2 + 1)R5 = 101,46 KΩ
Figur a 11
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Entonces: Av1 = - hfe1(R3||Ri2)/[hie1 + (hfe1 + 1)R4] = -12,64 La ganancia de tensión de la segunda etapa es: Av2 = vo2/vo1 vo1 = i b2hie2 + ib2(hfe2 + 1)R5 = i b2[hie2 + (hfe2 + 1)R5] vo2 = i b2(hfe2 + 1)R5 Av2 = (hfe2 + 1)R5/[hie2 + (hfe2 + 1)R5] = 0,99 Por último, la ganancia total de tensión del circuito es el producto de las ganancias de tensión de ambas etapas: Av = vo2/vi = (vo2/vo1)(vo1/vi) = Av2 Av1= -12,58
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TALLER 1. Calcule la ganancia de voltaje, impedancia de entrada e impedancia de salida del circuito. Calcule el voltaje de salida resultante si una carga de 10 k se conecta a la salida. Registre los valores obtenidos en la tabla.
AV Rin Rout Vout 2. Determine la ganancia del circuito, la impedancia de entrada y salida de cada etapa.
Complete la siguiente tabla con los resultados obtenidos
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AV Rin1 Rin2 Rin3 Rout1 Rout2 Rout3 3. A partir del siguiente circuito:
Determinar: Resistencia de entrada en el transistor Q1 Resistencia de entrada en el transistor Q2 Resistencia de salida en el transistor Q1 Resistencia de salida en el transistor Q2 Ganancia de voltaje Q1 Ganancia de voltaje Q2 Ganancia Total
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RIN1 RIN2 ROUT1 ROUT2 Av1 Av2 AVt
= ___________Ω = ___________Ω = __________ Ω = __________ Ω = ______ = ______ = ______
RESPUESTAS AL TALLER EJERCICIO 1
AV Rin Rout Vout
36296 932 Ω 2.2 kΩ 0.7 V
EJERCICIO 2
AV Rin1 Rin2 Rin3 Rout1 Rout2 Rout3
13 153 kΩ 145 kΩ 1 MΩ 6.2 kΩ 4.7 kΩ 61 Ω
EJERCICIO 3 RIN1 RIN2 ROUT1 ROUT2 Av1 Av2 AVt
2.42 kΩ 2.42 kΩ 5 kΩ 5 kΩ -59.3 -90.9 5930
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