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• Dawn Osborne

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1

TEMA: CIRCUITO AMPLIFICADOR CON ACOPLAMIENTO CAPACITIVO. Objetivos:  Diseñar un circuito amplificador de tensión y de corriente que tenga una configuración en cascada con amplificadores emisor y colector común.  Obtener un circuito que nos genere una ganancia de voltaje y de corriente por medio de una configuración de amplificadores en cascada con acoplamiento capacitivo.  Analizar las condiciones que debe cumplir el circuito para que este actúe como circuito amplificador.  Investigar como debe ser la configuración de los 2 circuitos amplificadores a usarse.  Obtener cada uno de los voltajes y corrientes en los elementos del transistor.  Analizar el comportamiento del transistor como un cuadripolo y obtener los parámetros híbridos del mismo.  Verificar el funcionamiento del amplificador en el laboratorio.

Materiales y Equipos: a) Materiales  Resistencias  Transistores NPN 1N3904  Capacitores  Cables  Protoboard b) Equipos:  Fuente de Voltaje DC  Generador de señales  Osciloscopio  Multímetro 1. Marco Teórico Amplificador Multietapa Los amplificadores multietapa son circuitos electrónicos formados por varios transistores, que pueden ser acoplados en forma directa o mediante capacitores.

2

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. La aplicaciones pueden ser tanto de cc como de ca. Amplificador en Cascada Una conexión popular 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. La conexión en cascada proporciona una multiplicación de la ganancia en cada una de las etapas para tener una mayor ganancia en total. La ganancia total del amplificador en cascada es el producto de las ganancias de las etapasAv1 yAv2. Acoplamiento Capacitivo El acoplamiento capacitivo o por condensador se usa para interconectar distintas etapas, en las cuales sólo se desea amplificar señal. La presencia del capacitor anula las componentes de cc, permitiendo sólo la amplificación de señales en ca. Los amplificadores de ca usan acoplamiento capacitivo. Permite mayor libertad en el diseño, pues la polarización de una etapa no afecta a la otra. Características del Amplificador en Cascada con Acoplamiento Capacitivo     

El punto de operación de cada transistor actúa por separado, por lo que una etapa no afecta a la otra. Genera mayor ganancia de corriente Dependiendo de la configuración que usemos se genera baja impedancia de salida, lo que evita el efecto de carga. La amplificación de la señal se efectúa por etapas: la salida de una excita la entrada de la etapa siguiente. La ganancia general del amplificador en cascada es el producto de las ganancias de las etapas

Etapas: 



Primera etapa, proporciona una alta resistencia para evitar pérdida del nivel de señal cuando el amplificador se alimenta con una fuente de alta resistencia. La función de las etapas intermedias de la cascada de un amplificador es proporcionar la ganancia de voltaje.

3

  

Etapa salida de un amplificador: proporciona una baja impedancia de salida con el fin de evitar pérdida de ganancia 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.

2. Etapa de Diseño En este caso usaremos un amplificador que tenga las configuraciones Emisor-Común y uno con Colector Común.

con

Colocaremos primero el amplificador Emisor-Común que genera la ganancia de voltaje, y luego tendremos el circuito Colector- Común que genera la ganancia de corriente. El orden se debe a que el emisor común nos proporcionara la señal amplificada, y con una impedancia de salida alta, mientras la configuración colector común se encarga de que la impedancia de salida sea baja y se produzca mayor ganancia de corriente, para de este modo evitar el efecto de carga. DATOS: VIN=1*sin(wt) AV=1 Primero haremos el diseño del circuito amplificador Colector Común, de modo que podamos encontrar una RL para el emisor común, que será igual a la impedancia de entrada del circuito Colector - Común. El esquema del circuito con configuración colector común es el siguiente. Vcc

RB1

Q1

CB

Vin

2N3904 CE

7 Vpk 20 Hz 0°

RB2 1kΩ RL

RE2

100µF

220kΩ

220kΩ

2.2kΩ

330µF

20 V

4

Datos de Diseño: ( (

[

) )

]

[ ]

Para el análisis empezamos haciendo el diagrama de Voltajes:

5

Con esto podemos determinar las condiciones para que no haya recorte, estas son: (

1. 2. 3.

)

[ ]

Analizando la primera condición tenemos que: )

(

)

(

Despejando VE resulta que: ( (

) )

( (

) )

De esto podemos determinar que podemos tener casos que son: 1ERA CONDICION

2DA CONDICION

3ERA CONDICION

Al menos 10 veces menor

Al menos 10 veces mayor [ [ ]

]

El voltaje del emisor nos quedará: [

]

El voltaje del emisor nos quedará: El voltaje del emisor nos quedará:

(

[ ]

(

[ ]

) (

[ ]

)

) [ ]

[ ] [ ] [ [

] [

]

]

6

Analizando los datos obtenidos con cada condición, podríamos escoger la primera y tercera condición, la segunda no sería muy óptima ya que necesitaríamos un Vcc bastante alto. Para nuestro diseño escogemos la tercera condición, de modo que nuestros datos son: [ ]

Ahora sabemos que:

[ ]

Luego asumimos que

, de modo que:

Debemos considerar que como el transistor está compuesto por diodos, este se afecta por los cambios de temperatura, y existirá una variación de voltaje , de modo que:

Para que las variaciones de voltaje no afecten, el valor de este debe ser despreciable respecto a VE, de modo que:

[ ] Ahora, consideramos la segunda y tercera condición para que no haya recorte [ ] [ ] [ ] Como se observa si estamos cumpliendo las 2 condiciones para que no haya recorte.

7

Aplicando el factor de tolerancia tenemos que: [ ]

DETERMINACION DE RB1 Y RB2

[ [

]

]

Como la corriente debe ser al menos 10 veces mayor, esta será igual a: [

]

{ Para que el circuito no dependa de las características del transistor, tenemos que escoger el menor valor, pero en este caso la resistencia se aproxima mucho a la de 3.3k de modo que:

Para RB1 tenemos que:

Para esto debemos determinar Vcc

[ ]

{

8

En este caso escogemos la de 2.7k ya que es más cercana al valor calculado.

CÁLCULO DE LOS CAPACITORES QUE USAREMOS Capacitor en la base CB 2200µF

10kΩ

XCB Vin R

1 Vpk 1kHz 0°

(

) (

(

)(

(

[ ]

)(

) )

)

9

(

)(

)

Un valor comercial es 100 uF Hay que tomar en cuenta que este valor es una referencia a partir de la cual podemos empezar a variar el capacitor. Calculo del capacitor del emisor CE

( (

) )

Tiene que ser almenos 10 veces mayor

Un valor comercial es 100 uF

10

El diseño del circuito con todos los elementos obtenidos es el siguiente Vcc 17 V

RB1 2.7kΩ

Q1

CB

Vin 3.5 Vpk 20 Hz 0°

2N3904

2200µF

CE 4700µF

RB2 3.3kΩ

RE 1kΩ

1kΩ RL

Como se indico anteriormente los valores de los capacitores calculados eran referencias, para a partir de ellos empezar a variarlos de modo que los cruces sean iguales. Con los valores que encontramos mayor estabilidad fueron CB=2200 uF y CE=4700 uF Comprobación con el uso del simulador Para poder observar las graficas necesitamos cambiar las escalas del simulador ya que las 2 se superponen.

11

SEGUNDA ETAPA DEL DISEÑO CIRCUITO AMPLIFICADOR EMISOR - COMUN El circuito amplificador total es el siguiente7

Vcc 18 V

RB1A

RC RB1B 2.7kΩ CC Q2

C2

Q1

2N3904

V2 0.5 Vpk 20 Hz 0°

2200µF

2N3904

RE1

CE

RB2A RE2

CE1

3300µF

RB2B 3.3kΩ

RL

RE

1kΩ

1kΩ

6.8kΩ 1.2kΩ Como vemos la salida de voltaje del circuito emisor común, es la entrada de voltaje del circuito colector común. 180Ω Podemos decir que la resistencia de carga del 2200µF 100Ω al circuito colector común. circuito emisor común es la impedancia1.5kΩ de entrada

2200µF Necesitamos determinar la impedancia de entrada2

(

)

( [

) ]

Impedancia de entrada del transistor 2 (

)

12

( (

)

)

(

(

(

)

) (

) (

(

) ))

Reemplazando los datos tenemos que: (

) (

(

) )

[ ]

Impedancia de entrada2 (

)

(

) [ ]

Por tanto para el análisis el circuito equivalente será: RC

RB1A

CC Q2

C2

2200µF

2N3904

V2 0.5 Vpk 20 Hz 0°

Zin2 1355.9084Ω

RE1 RB2A RE2

10000µF 160Ω

680Ω

33Ω

CE1

220000µF

1kΩ 4.7kΩ

13

Datos de diseño:            

(

( )

)

Transistor NPN 1N3904 [ ] [ ] [

]

[ ] [ ] [ ]

Diagrama de Voltajes

VCC

IE.RE1 O’

IE.RE2

14

Del grafico podemos observar las condiciones para que no haya recorte. I. II. III. IV.

(

)

1.1 Determinación de RC Para determinar RL tomamos en cuenta la cuarta condición para que no haya recorte, es decir: ( )

(

)

(

)

Como podemos observar en base a esta ecuación se pueden dar 3 casos en el que la resistencia RC puede estar. a) b) c) Ahora procedemos a calcular los valores de voltajes y corrientes para cada uno de los posibles valores de RL a. (

)

(

) [ ]

15

Para poder pasar la desigualdad obtenida es necesario multiplicar por un factor de tolerancia que generalmente es del 20%, es decir hay que multiplicar por 1.2, de donde, [ ]

Para la corriente tenemos que:

[

]

Esta opción si es aceptable porque si esta dentro del rango de funcionamiento del transistor, es decir b. (

)

(

) [ ]

Multiplicando por el factor de corrección tenemos que: [ ] Para la corriente tenemos que:

[

]

Esta opción también es aceptable porque si esta dentro del rango de funcionamiento del transistor, es decir c.

16

(

(

)

) [ ]

Multiplicando por el factor de corrección tenemos que: [ ] Para la corriente tenemos que:

[ ] Esta opción no es aceptable ya que la corriente calculada excede a la corriente máxima del transistor, por lo que desechamos esta opción.

De estas opciones elegimos la primera, de modo que los valores con los que trabajaremos serán: {

1.2 DETERMINACION DE RE1 Y RE2

Asumimos que

, de modo que:

Debemos considerar que como el transistor está compuesto por diodos, este se afecta por los cambios de temperatura, y existirá una variación de voltaje , de modo que:

Para que las variaciones de voltaje no afecten, el valor de este debe ser despreciable respecto a VE, de modo que:

17

[ ] Ahora, consideramos la primera condición para que no haya recorte

Para que esto se cumpla tenemos que. [ ]

De estas opciones escogemos

Con estos datos determinamos las resistencias que necesitamos.

(

)

{ Para escoger la RE1 se toma la más alta ya que por estabilidad térmica el voltaje VE sea mas grande y no dependa el punto de operación del cambio de temperatura.

18

{ Escogemos

Verificaremos que se cumpla la condición anterior.

1.3 DETERMINACION DE RB1 Y RB2

[ [

]

]

Como la corriente debe ser al menos 10 veces mayor, esta será igual a: [

{

]

19

Para que el circuito no dependa de las características del transistor, tenemos que escoger el menor valor, de modo que:

Para RB1 tenemos que:

[ ] Veremos si cumple con las condiciones necesarias para actúe como amplificador, caso contrario debemos cambiar el Vcc de la primera etapa y recalcular los datos.

Sabemos que una de las condiciones para que sea amplificador es: [ ] Verificamos que se cumpla este valor [ ] Como vemos si cumple con esta condición. Ahora la otra condición es:

De igual forma verificamos que también se cumpla esta condición [ ] Como vemos si cumple. De modo que nos queda que VCE es igual a: [ ] Calculamos RB1 [

]

{ Escogemos la menor de modo que haya más corriente: [

]

[

]

20

CÁLCULO DE LOS CAPACITORES QUE USAREMOS3 Capacitor den la base CB 2200µF

10kΩ

XCB Vin R

1 Vpk 1kHz 0°

(

)(

(

)

)(

|

)

|

(

)(

)

21

Un valor comercial es 1000 uF Hay que tomar en cuenta que este valor es una referencia a partir de la cual podemos empezar a variar el capacitor. Capacitor en el colector CC

Tiene que ser al menos 10 veces mayor:

Un valor comercial es 1500 uF

De igual forma hay que tomar en cuenta que este valor es una referencia a partir de la cual podemos empezar a variar el capacitor.

Calculo del capacitor del emisor CE (

(

)

)

22

(

)

Tiene que ser almenos 10 veces mayor

Un valor comercial es 2200 uF

Como a veces no se cumple la ganancia deseada, es necesario que cambiemos la resistencia del emisor para aumentar la ganancia, en este caso nos ha tocado cambiar de la resistencia de 100Ω a una resistencia de 95 Ω Con esto el circuito equivalente será:

VCC 20 V

RB1 1kΩ

RC 56Ω CC Q2

CB

68000µF Zin2 52.96Ω

68000µF V2 0.23 Vpk 20 Hz 0°

2N3904 RE1 5.6Ω RB2 150Ω RE2 22Ω

CE 68000µF

Simulación de Voltaje de entrada y voltaje de salida

23

El circuito amplificador en cascada nos quedara de la siguiente manera:

VCC 20 V

RB1 1kΩ

RC 56Ω

R2 100Ω CC

Q2

CB 68000µF V2 0.23 Vpk 20 Hz 0°

Q1

68000µF

2N3904

2N3904

C1

RE1 5.6Ω

3300µF R1 220Ω

RB2 150Ω RE2 22Ω

CE 68000µF

R3 80Ω

R4 8Ω

24

CALCULO DE PARAMETROS DE POLARIZACION El circuito tiene polarización por divisor de tensión. Para este cálculo los capacitores actúan como circuito abierto, por lo tanto el circuito nos quedará

Para el análisis de este circuito tenemos que obtener el equivalente thevenin de cada uno de los circuitos: Donde RTH1 y RTH2 son:

VTH será igual a:

25

Por lo tanto obtenemos que el circuito equivalente será igual a:

Resolviendo la malla obtenemos IB1 y IB2:

(

)

(

)

Para cada circuito Ib será igual a: (

) (

(

[

]

Corriente en el colector (IC)

)

) (

(

)

)

(

[

)

]

26

[

]

[

[

]

[

]

]

Corriente en el emisor (IE) (

(

)

(

)

[

[

]

(

)

)

]

[

[

]

]

Voltaje en el emisor (VE) (

(

)

)

[

]

Comprobación del voltaje en el emisor con el uso del simulador

[

]

27

Voltaje en la base (VB)

[ ]

Comprobación con el uso del simulador

[ ]

28

Voltaje en el colector (VC)

[

]

[ ]

Comprobación con el uso del simulador

[ ]

29

Voltaje colector – emisor (VCE)

Comprobación con el uso del simulador

30

Como se observa el voltaje colector-emisor es 15.11 V y 7.3 V Para que el transistor actúe como amplificador es necesario que Vce sea mayor o igual a 6 v [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] Como si cumple esta condición procedemos a los cálculos posteriores

El siguiente paso a seguir es el análisis en señal alterna del circuito:

31

VCC 20 V

RC 56Ω

RB1 1kΩ

R2 100Ω CC

Q2

CB 68000µF V2 0.23 Vpk 20 Hz 0°

Q1

68000µF

2N3904

2N3904

C1

RE1 5.6Ω

3300µF R1 220Ω

RB2 150Ω RE2 22Ω

R3 80Ω

R4 8Ω

CE 68000µF

Usamos el modelo de representación de un cuadripolo con parámetros híbridos. El circuito equivalente será: hie1

hie2

V2

hfeib2 1A

hfe1ib1 RC

0.5 Vpk Rth1 20 Hz 0°

RE2 10kΩ

RE1

0A 10kΩ

Rth2

10kΩ

10kΩ

10kΩ 10kΩ

10kΩ

El análisis lo realizaremos por etapas, comenzando con la entapa del colector común, que será igual a:

RL 10kΩ

32

Con esto podemos determinar los parámetros desconocidos. (

) (

(

(

) ( ( )

( ) ( ) ( ( (

) )

)) ) (

|

)

Reemplazando los datos y teniendo en cuenta que [

(

]

) (

)

)

)

33

Como se observa la ganancia es igual a 1, esto quiere decir que la onda es la misma de entrada. Este circuito tiene el nombre de SEGUIDOR DE TENSION Impedancia de entrada del transistor ( ( (

)

)

(

(

(

) )

) (

) (

(

) ))

Reemplazando los datos tenemos que: (

) (

(

) )

[ ]

Impedancia de entrada (

)

(

)

[ ] [ ]

Impedancia de salida (

)

Donde ( (

) )

34

[ ] Ganancia de corriente

( [ ]

(

)

)

Comprobación de las condiciones para que no haya recorte. Como mencionamos antes las 3 condiciones para que no haya recorte son: (

1. 2. 3.

1.

)

[ ]

( ) El voltaje de salida será: (

(

)

(

[

]) (

)

( )) ( ) [ ]

Como se observa si cumple la primera condición 2.

[ ] VCE=7.3 [V] Como se observa si cumple la segunda condición

3. Vsat=3 [V]

35

[ ] [ ] Como se observa si cumple la tercera condición

Ahora haremos los parámetros híbridos del circuito emisor comun teniendo en cuenta que RL=ZIn2=52.96

Voltaje de salida: La ganancia de voltaje era igual a 4.35, es decir

De donde obtenemos que Vo1 es igual a:

(

(

))

( ) Encontraremos los parámetros desconocidos, que son igual a:

( Donde ϒe1=resistencia dinámica del diodo Sabemos que:

)

36

[

[ ]

]

Para hie reemplazamos el resultado anterior: (

)

[ ] [ ]

GANANCIA DE VOLTAJE (

(

) )) )

(( (

)

Simplificando Ib tenemos. ))

(( ) (

(

)

Como hfe es mucho mayor que 1 despreciamos ese valor y tendremos que: (

) )

( La ganancia será igual a: (

)

(

)

Impedancia de Entrada

(

)( (

)(

) )

37

Ganancia de Corriente

[ ]

Impedancia de salida

GANANCIA TOTAL GANANCIA DE VOLTAJE

GANANCIA DE CORRIENTE (

) (

)

38

SIMULACION DE PARAMETROS EN ALTERNA MAS CONTINUA VOLTAJE EN EL EMISOR

VOLTAJE EN LA BASE

VOLTAJE EN EL COLECTOR

39

GANANCIA DE VOLTAJE

40

OSCILOSCOPIO 1 VIN (VERDE) CANAL B VO1 (AZUL) CANAL A

OSCILOSCOPIO 2 VIN2 (AZUL) CANAL A VO (ROJO) CANAL B

GANANCIA DE VOLTAJE 1

GANANCIA DE VOLTAJE 2

AV=4.367

AV=0.96

GANANCIA TOTAL

41

GANANCIA DE CORRIENTE

CONCLUSIONES    



Logramos diseñar e implementar un amplificador en cascada con 2 diferentes tipos de amplificador (emisor común y colector común). Verificamos el funcionamiento del circuito y las características de cada etapa que diseñamos. Analizamos las características de cada amplificador, de modo que los colocamos de acuerdo a nuestra conveniencia. Entre mayor sea la ganancia de voltaje, mayor es la distorsión de los picos en la señal de salida, por tal motivo de acopla las diferentes etapas considerando estas variaciones. El acoplamiento de amplificadores nos permite generar mayor ganancia tanto de Voltaje y de Corriente.

RECOMENDACIONES

42

   

Analizar cómo debe ser el orden de acoplamiento de cada etapa del amplificador. Comprobar por medio de la simulación que se cumplan los datos calculados. Variar algunos elementos de modo que se pueda obtener la ganancia deseada y una forma de onda sin variaciones. Verificar las conexiones de los circuitos, así como los elementos que se están usando.

BIBLIOGRAFÍA  http://ocw.ehu.es/ensenanzas-tecnicas/electronica-general/teoria/tema-5teoria  http://aholab.ehu.es/users/imanol/akustika/IkasleLanak/Amplificadores.pdf  http://146.83.206.1/~jhuircan/PDF_CTOI/MultIee2.pdf