UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERA MECANICA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE CIENCIAS DE INGENIERIA ANALISIS Y DISEÑO DE CIRUCITOS ELECTRONICOS ML831 - SECCION A PERIODO ACADEMICO 2015-I
LABORATORIO 4
DISEÑO Y ANALISIS DE UN AMPLIFICADOR MONOETAPA CONEXIÓN EN CASCADA, AL AMPLIFICADOR DARLINGTON PROFESOR CAPCHA BUIZA, PEDRO CRISPIN
25663488
INTEGRANTES
BAZALAR TARAZONA, LARRY JEFFERSON BELLEZA PLACENCIA, CRISTHIAN RENATO CALDERON OSCANOA, RONNY DAVID CARHUARICRA SOTO, RICHARD EDGARDO JUSTANO HOSPINAL, DIERICK RAUL REY TAPIA, DIEGO CRIS ASHLY SANCHEZ PEÑA, MIGUEL
20081060C 20124507D 20122516F 20121067C 20124514K 20112584I 20121071k
INTRODUCCIÓN En el presente informe haremos un estudio de los transistores BJT como amplificadores usando tres tipos de circuitos: -
Amplificador mono etapa. Amplificador cascada. Amplificador Darlington.
En los tres tipos de circuitos antes mencionados observaremos la ganancia en cada transistor y la ganancia total del circuito, además obtendremos los puntos de operación de cada transistor, todos estos datos los podremos contrastar con los data sheets y con los datos obtenidos teóricamente antes de realizar el presente informe. Todo esto nos ayudara a familiarizarnos con el diseño y uso de los transistores BJT.
OBJETIVOS -
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Polarizar y construir un circuito amplificador mono etapa basado en un transistor mono etapa. Medir experimentalmente los parámetros de la ganancia de tensión y corriente, impedancia de entrada y de salida que van a caracterizar la etapa justificando las desviaciones existentes con los valores obtenidos en forma teórica. Construir un circuito amplificador mono etapa. Implementar un circuito amplificador cascada. Implementar un circuito amplificador Darlington.
EQUIPOS Y MATERIALES -
2 transistores 2N2222.
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3 transistores BC142.
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Resistencias según los circuitos.
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Capacitores según los circuitos. 1 generador de funciones.
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1 protoboard. 1 Multimetro.
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1 Osciloscopio.
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2 fuentes de alimentación de 0 a 30v.
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Cables.
PROCEDIMIENTO -
Arme los circuitos de las figuras: 1, 2 y 3. Mida las tensiones y corrientes correspondientes de cada transistor en cada circuito (en DC).
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Mida con el osciloscopio las tensiones pico a pico, de salida de cada transistor. Anote todo los valores medidos. En forma teórica hallar en punto de operaciones de los circuitos Darlington y cascada. Para el circuito en cascada, hallar la ganancia de tensión Av.
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FUNDAMENTO TEORICO Darlington. Una conexión de transistores en Darlington, como se muestra en el circuito de la figura I, utiliza un par de transistores BJT con ganancias β1 y β2, respectivamente un solo encapsulado con un beta efectivo βD = β1 * β2. Utilizar un transistor Darlington para construir un seguidor de emisor, hace que este tenga una impedancia de entrada mayor que si se construyera con un transistor convencional, dado que:
Zi=Rb∨¿ ( βdRe ) (1) Mientras que la impedancia de salida queda dada por:
Zo=ℜ( 2) La ganancia de voltaje (Av) queda dada por (3): �� = �� �� + �� (3)
Av =
ℜ (3) ℜ+ ℜ
Figura I: Transistor Darlington en configuración seguidor de emisor
Cascada. En este tipo de circuito, como se muestra en la figura II, provee un amplificador de emisor común (AEC) conformado por el transistor Q1, directamente conectado a un amplificador de base común (ABC) conformado por Q2. La ganancia de voltaje dada por AEC es aproximadamente 1 pero con carácter inversor: AV1=-1. Mientras que la
ganancia de voltaje dada por el ABC es: AV2= RC/re2 La ganancia de voltaje total queda dada por (4): �� = − �� ��2 (4)
Av =
−Rc Rc 2
Donde re se usa para denotar la resistencia dinámica del transistor y se calcula como: re=26mV/IE.
Monoetapa. Se plantea ahora a estudiar la forma de diseñar etapas amplificadoras con un solo BJT, y dentro de las tres configuraciones posibles se escoge la de emisor común por ser la etapa amplificadora con mejores características globales: ganancia de tensión e impedancia de entrada. La polarización más adecuada de un BJT es con divisor de tensión en base y resistencia de emisor, la resistencia de colector no es necesaria en la configuración de colector común, pero si lo es en la de emisor común. Se analizará la configuración de emisor común como amplificador. Según muestra la figura a, en un principio se desacopla la resistencia de emisor con un condensador tal que a las frecuencias de trabajo su impedancia sea despreciable, y por tanto en régimen dinámico mantiene constante la tensión en el emisor. A la hora de hacer el análisis en alterna, el emisor estará conectado a tierra ya que en alterna el condensador cortocircuita a RE. La forma de calcular el valor del condensador de desacoplo de la resistencia de emisor, condensador de desacoplo es el nombre que se suele utilizar para los condensadores que realizan este tipo de función, se pospone para los problemas. Los condensadores de paso Ci y Cs, se estudiarán con la respuesta en frecuencia del amplificador.
Figura a - Punto de funcionamiento en la configuración de emisor común. La elección del punto de funcionamiento necesita una discusión muy detallada, que aquí se limitará a dar los elementos más importantes del planteamiento básico En primer lugar el punto de funcionamiento en continua se define mediante la selección de las resistencias R1, R2, RE, RC y VCC, aunque el valor de la fuente de alimentación, VCC, se supone normalmente que se parte de un valor estándar, p.e. 10 V. Si se escogen RE y RC, se está eligiendo una recta de carga estática determinada. En el gráfico de las curvas de salida del transistor que se esté usando, 2N2222 en este caso, la recta de carga estática irá desde el punto VCE = VCC en el eje X, hasta el punto IC = VCC/ (RE + RC) en el eje Y, tal como muestra la figura b. En qué punto de esta recta de carga estática estará el punto de funcionamiento estático, punto Q, lo definirá el valor de la corriente de base seleccionada, lo cual se consigue, una vez elegidas RE y RC, mediante la elección de R1 y R2.
Figura b
La recta de carga estática que aparece en la figura b, correspondería a una elección de VCC = 10V, RE = 1k y RC = 2k. La elección de RE y RC viene condicionada por la ganancia de tensión seleccionada para el amplificador, RE según se verá posteriormente no tendrá que ver con la ganancia de tensión si está desacoplada. La elección del punto de funcionamiento sobre la recta de carga debe hacerse de forma que éste esté algo centrado en ella. Lo de algo no es precisamente una forma de expresarse muy correcta, científicamente hablando, pero la razón de que no debe estar totalmente centrado en la recta de carga estática, se comprenderá cuando se introduzca el concepto de recta de carga dinámica.
Figura c Una vez ajustado el punto de funcionamiento se pasa a analizar el comportamiento dinámico del circuito, es decir su comportamiento como amplificador de señales variables que atacan su entrada, que suministra el generador Vg con resistencia interna Rg. Se inicia el análisis a frecuencias medias, es decir a aquellas en que los condensadores que encuentra en serie la señal, Ci y CS, tienen una impedancia despreciable frente a las impedancias que tienen en serie. Aplicando el modelo de los parámetros híbridos, figura d:
Figura d (1)- Afín de no complicarse con procesos de cálculo engorrosos y que poco aportarían al conocimiento de estos amplificadores, no se va a plantear el
cálculo explícito de cuál ha de ser el punto idóneo de funcionamiento del BJT.
Donde Rb es la resistencia equivalente del paralelo de R1 y R2. En primer lugar se ha de simplificar el circuito de la figura e ya que el parámetro hre tiene un valor muy pequeño y por tanto se puede considerar que su contribución es despreciable. Igualmente dado que habitualmente la resistencia (1/hoe) es mucho mayor que RC se la puede ignorar. Por tanto el circuito simplificado será el de la figura e:
Figura e Las señales de entrada y salida serán:
La ganancia de tensión:
De la ecuación de conducción del diodo base-emisor:
y de la definición del parámetro hie:
Por tanto la ganancia de tensión del amplificador será:
DATOS Y RESULTADOS
Vpp en la salida de Q1 a 1Khz. = 600 uV
Ganancia de tensión: 6
Vpp en la salida de Q2 a 1Khz.= 50mV 83.3
Ganancia de tensión:
Vi n F Vo Av
100 uV 100 Hz
100 uV 400 Hz
100 uV 700 Hz
100 uV 1 KHz
100 uV 2 KHz
100 uV 10 KHz
100 uV 100 KHz
100 uV 1 MHz
100 uV 12 MHz
500
5300
1060 0
1455 0
2030 0
2350 0
21000
4700
390
Q1 Vce 17.69
Vbe 0.45
Ic 4.52x10 -7
Ib 3.28x10 -9
Q2 Vce 18.28
Vbe 0.59
Ic 0.114 mA
Ib 4.56x10 -7
Circuito 3
TRANSISTOR
Vbe
Ib
Vce
Ic
Q1
0.65
5.7uA
2.69
0.69mA
Q2
0.64
4.7uA
9.96
0.61mA
Q3
-4.5
1.1uA
-4.9
2.8uA
1.- Dibujar las formas de onda en la salida de Q2 y en la resistencia R5: A continuación se observa las gráficas de las salidas de Q2 (color amarillo) y en la resistencia R5 (color celeste)
2. Anotar el voltaje pico a pico de salida. 85mV/-85mV 3. La ganancia de voltaje es: Av= 0.34
