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LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS INFORME PREVIO N° 05 LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL AMPLIFICADOR MULTIETAPA EN CASCADA I.

OBJETIVOS:       

II.

Calcular y medir los voltajes y corrientes de polarización en el circuito. Comprobar experimentalmente si el circuito está bien polarizado. Calcular la ganancia en voltaje de cada etapa sin carga y con carga conectada. Calcular la ganancia en voltaje total del circuito en lazo abierto. Comprobar experimentalmente los parámetros del amplificador (ganancias en voltaje). Determinar el efecto que causa la frecuencia del generador sobre el circuito al variarla. Visualizar y analizar el comportamiento de las ondas de entrada y salida del circuito planteado en el osciloscopio.

INTRODUCCION:

Un amplificador se describe un circuito capaz de procesar las señales de acuerdo a la naturaleza de su aplicación. El amplificador sabrá extraer la información de toda señal, de tal manera que permita mantener o mejorar la prestación del sistema que genera la señal (sensor o transductor usado para la aplicación). Se llama amplificador multietapa a los circuitos o sistemas que tienen múltiples transistores y además pueden ser conectadas entre sí para mejorar sus respuestas tanto en ganancia, Zin, Zout o ancho de banda. Las aplicaciones pueden ser tanto de cc como de ca. Fig. 1: amplificador multietapa en cascada.

III.

MARCO TEORICO:

Amplificador Multietapa: Cuando nos referimos a un amplificador, estamos hablando de un circuito capaz de procesar las señales de acuerdo a la naturaleza de la aplicación. El amplificador sabrá extraer información de toda señal, de tal manera, que permita mantener o mejorar las características del sensor o transductor utilizado la nuestra aplicación. Por ejemplo: Si la aplicación está inmersa en algún tipo de ruido, el amplificador no deberá amplificar el ruido, es más, debe atenuarlo de toda la señal y/o del medio imperante. La tarea se deberá realizar sin distorsionar la señal, sin perder información, ni inteligencia. Un criterio universal al plantearse el diseño de un amplificador, consiste en, seleccionar la primera etapa de este como un pre amplificador, es decir, como un amplificador que permita preparar adecuadamente la fuente de señal para ser posteriormente procesada y amplificada. Una segunda etapa, consistirá netamente en obtener amplificación de o las variables involucradas. En muchos casos, y con el fin de evitar niveles de saturación, se reserva más de una etapa para esta tarea. Por regla general, la etapa final será exclusivamente una etapa de potencia. Esta etapa, es en realidad la que permite la materialización de nuestra aplicación en un ambiente completamente ajeno a las pequeñas señales.

 Conexión en Cascada

Una conexión popular de etapas de amplificador es la conexión en cascada. Básicamente en cascada es una conexión en serie con la salida de una etapa aplicada como entrada a la segunda etapa. La conexión en cascada proporciona una multiplicación de la ganancia de cada etapa para una mayor ganancia general. La ganancia general del amplificador en cascada es el producto de las ganancias Av1 y Av2 de las etapas.

𝐴𝑣 = 𝐴𝑣1 ∗ 𝐴𝑣2 En la siguiente figura se muestra un amplificador en cascada con acoplamiento Rc usando BJT:

Fig. 2: Ejemplo sencillo de amplificador multietapa en cascada.

La polarización en dc se obtiene como ya se ha visto en las anteriores prácticas de laboratorio y en las clases. La ganancia de voltaje de cada etapa es: 𝐴𝑣1 = La

impedancia de

entrada

−𝑅𝑐 //Rl 𝑟𝑒

del amplificador es la de la etapa 1:

𝑍1 = 𝑅1 //𝑅2 //𝛽𝑟𝑒

Y

la

impedancia de

salida del amplificador es la de la etapa 2:

𝑍2 = 𝑅𝑐//𝑟𝑜

IV.

MATERIALES:

La conexión en cascada proporciona una multiplicación de la ganancia en cada una de las etapas para tener una mayor ganancia en total.  Osciloscopio: Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectro. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que

normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones.

 Generador de Funciones: Un Generador de Funciones es un aparato electrónico que produce ondas senoidales, cuadradas y triangulares, además de crear señales TTL. Sus aplicaciones incluyen pruebas y calibración de sistemas de audio, ultrasónicos y servo. JFET Puesto que hay una tensión positiva entre el drain y el surtidor, los electrones fluirán desde el surtidor al drain (o viceversa según la configuración del mismo), aunque hay que notar que también fluye una corriente despreciable entre el surtidor (o drain) y la puerta, ya que el diodo formado por la unión canal – puerta, esta polarizado inversamente. En el caso de un diodo polarizado en sentido inverso, donde inicialmente los huecos fluyen hacia la terminal negativa de la batería y los electrones del material N, fluyen hacia el terminal positivo de la misma. Lo anteriormente dicho se puede aplicar al transistor FET, en donde, cuando se aumenta VDS aumenta una región con empobrecimiento de cargas libres.  Transistor de unión bipolar: El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. NPN NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.

PNP El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias. Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa.

V.

DISEÑO DE LOS CIRCUITOS:

1.- Primer circuito:

*Parte matemática del circuito 1: Analisis en DC Rth 

R1R 2  4.927k   Rb1  Rb2 R1  R 2

Vth 

R2 Vcc  3.079v R1  R 2

Vth  ( Rth * Ib)  Vbe  (Re* Ie) Si Ie  (   1) Ib : 3.079v  (4.927 k ) Ib  0.7v  (1.5k )(150  1) Ib Ib  10.28 A Ic   Ib  1.542mA Vcc  ( Rc * Ic)  Vce  (Re* Ie) Si Ic  Ie : 15v  (5.1k )(1.542mA)  Vce  (1.5k )(1.542mA) Vce  4.823v Ganancia en voltaje de cada etapa y del circuito total

Vo1 Vo Vo *  Vi Vi 2 Vi Vo1    1* Ib1( Rc1 Rb2) hie2 25mV Si hie  re y re  entonces: Ie hie  (16.213)(150)  2431.9 Vo1  1.902v Vi  hie1* Ib1  24.99mV Vo1 Av1   76.11 Vi Vo    2* Ib 2( Rc 2)  7.864 Vi 2  hie2* Ib2  24.99mV Vo Av 2   314.685 Vi 2 AvTotal  Av1* Av 2  23950.67 Av  Av1* Av 2 

*simulando el circuito:

2.- Segundo circuito:

*Parte matemática del circuito 1: Analisis en DC Rth 

R1R 2 R1  R 2

Vth 

R2 Vcc R1  R 2

hallando Ib Si Ie  (   1) Ib Vth  ( Rth * Ib)  Vbe  (Re* Ie) Ic   Ib hallando Vce Si Ic  Ie : Vcc  ( Rc * Ic)  Vce  (Re* Ie)

Ganancia en voltaje de cada etapa y del circuito total

Vo1 Vo Vo *  Vi Vi 2 Vi Vo1    1* Ib1( Rc1 Rb 2) hie2 25mV Si hie  re y re  entonces: Ie Vi  hie1* Ib1 Vo1 Av1  Vi Vo    2* Ib 2( Rc 2 Rl ) Vi 2  hie2* Ib2 Vo Av 2  Vi 2 AvTotal  Av1* Av 2 Av  Av1* Av 2 

Simulando el circuito:

VI.

PREGUNTAS:

1. ¿Cuáles son los pasos a seguir para lograr desarrollar un amplificador multietapa en cascada? Se analiza la primera etapa de forma independiente calculando la tensión de salida (en función de Vg) y la impedancia de salida (Rout1). • A continuación se ataca la segunda etapa con la tensión 5 de salida de la etapa anterior y su impedancia de salida para calcular la tensión de salida de la segunda etapa (y su impedancia de salida) • Así sucesivamente para todas las etapas. 2. ¿Cuál es la función del condensador de acoplo en circuitos de amplificadores en multietapa? Cada condensador de acoplamiento introduce un nuevo polo en la función de transferencia, donde podemos tener los siguientes tipos de acoplamiento:    

Acoplamiento directo. Acoplamiento capacitivo. Acoplamiento por transformador. Acoplamiento óptico.

3. ¿Cuál es la función específica de un amplificador multietapa en cascada? Una conexión entre etapas de amplificador es la conexión en cascada. Básicamente una conexión en cascada es aquella en la cual la salida de una etapa se conecta a la entrada de la segunda etapa.