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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA

INFORMES FINALES DEL LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS II  Docente:

SARMIENTO PUCHURI WILFREDO

 Alumnos:

Jorge Armando Zambrano Rodríguez Claudio Anthony Palma Arias

 Turno:

Jueves 8-10 am

 Ciclo académico:

2017-I

ÍNDICE

 AMPLIFICADOR MULTIETAPA  AMPLIFICADOR CASCODE  AMPLIFICADOR DARLINGTON CON BOOSTRAP  AMPLIFICADOR DIFERENCIAL  RESPUESTA EN FRECUENCIA DE UN AMPLIFICADOR TRANSISTORIZADO  AMPLIFICADOR OPERACIONAL - CARACTERISTICAS  AMPLIFICADOR OPERACIONAL - APLICACIONES  AMPLIFICADOR TRANSISTORIZADO REALIMENTADO  FILTROS ACTIVOS

AMPLIFICADOR MULTIETAPA

En el laboratorio Para el diseño del amplificador cascada se utilizaron dos transistores 2N3904, el cual posee un beta (𝛽), condensadores de 10uF y resistencias de ¼ watt. Dado que estas resistencias no son de precisión sus valores varían y la polarización del transistor también. Sin embargo, las diferencias son mínimas. Aquí se obtuvo una tabla de los valores practico de las resistencias. Resistencia

Teórico

Q1

Q2

𝑹𝟏

50K

48.9K

49.3K

𝑹𝟐

10K

9.91K

10.01K

𝑹𝑪

4K

3.94K

3.94K

𝑹𝑬

1K

979

991

1. Polarizando el transistor Polarizar el transistor significa determinar los voltajes y corrientes determinados para que el transistor trabaje en óptimas condiciones, es decir su punto Q. En el laboratorio, se usó una fuente DC a 10v y se procedió a medir las tensiones y corrientes. Los resultados fueron los siguientes. Parámetro

𝑸𝟏

𝑸𝟐

𝑰𝑪

1.01 mA

0.99 mA

𝑰𝑬

1 mA

0.99 mA

𝑰𝑩

4.4 uA

4.8 uA

𝑽𝑪

6.00 V

6.09 V

𝑽𝑬

0.971 V

1V

𝑽𝑪𝑬

5.01 V

5.13 V

𝑽𝑹𝟏

8.37 V

8.37 V

𝑽𝑹𝟐

1.651 V

1.651 V

Observamos que las corrientes y tensiones para ambos transistores son similares al cálculo teórico. Esta variación se debe a las características físicas de las resistencias y los transistores. 2. Funcionamiento como amplificador Para verificar que el transistor funcione debemos inyectar una señal alterna esta será amplificada de esta manera hallaremos su ganancia en alterna. Compararemos esta ganancia con la que obtuvimos en los cálculos teóricos.

El osciloscopio mostró las siguientes medidas del generador: Voltaje pico a pico 320mV

Voltaje máximo 140mV

Voltaje RMS 80mV

NOTA1: Cabe resaltar que antes de inyectar la señal sabíamos con anticipación que la señal amplificada iba a ser recortada puesto que el valor máximo de la señal inyectada multiplicada por la ganancia es aproximadamente 1120v esto pasa los límites del Vcc, así se obtendrá una señal recortada. NOTA2: No se pudo obtener una señal más atenuada porque estábamos en el límite del generador de señales del laboratorio. Aquí se muestra las medidas de la salida del amplificador cascada. Se muestra los valores del voltaje y ganancia al girar el potenciómetro.

VALOR

SALIDA

GANANCIA 𝑨𝒗

FORMA DE LA SEÑAL

𝑉𝑝𝑝

𝑉𝑚𝑎𝑥

𝑺𝒊𝒏 𝑹𝒍

8.56 V

4.80 V

26.75

Recortada

𝑹𝒍 = 𝟏𝟎𝒌

5.84 V

3.28 V

18.25

Recortada

𝑹𝒍 = 𝟏𝒌

2.88 V

1.44 V

2.88

Recortada

𝑹𝒍 = 𝟏𝟎𝟎

552 mV

216 mV

1.725

Recortada

Fotos del osciloscopio conectado al amplificador

𝑆𝑖𝑛 𝑅𝑙

𝑅𝑙 = 10𝑘

𝑅𝑙 = 1𝑘

Efecto del condensador de desacoplo Como obtuvimos una señal recortada a la salida del amplificador optamos por quitar ambos condensadores de desacoplo.

𝑨𝒗

Forma de la señal

𝑺𝒊𝒏 𝑪𝒆 𝒆𝒏 𝒍𝒂 𝒑𝒓𝒊𝒎𝒆𝒓𝒂 𝒆𝒕𝒂𝒑𝒂 8.96 V

64

Recortada

𝑺𝒊𝒏 𝑪𝒆 𝒆𝒏 𝒍𝒂 𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒂 𝒆𝒕𝒂𝒑𝒂 7.92 V

56.57

Recortada

𝑺𝒊𝒏 𝑪𝒆 𝒆𝒏 𝒍𝒂 𝒂𝒎𝒃𝒂𝒔 𝒆𝒕𝒂𝒑𝒂

13.14

Senoidal

𝑹𝒍 = 𝟎

𝑽𝑷𝑷

1.84 V

𝑆𝑖𝑛 𝐶𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟𝑎 𝑒𝑡𝑎𝑝𝑎

Sin Ce en ambas etapas

Haremos un análisis para verificar como afecta en la ganancia la ausencia del capacitor de desacoplo:

𝑉𝑙 𝑉𝑙 𝑖𝑏2 𝑖𝑏1 = 𝑥 𝑥 𝑉𝑔 𝑖𝑏2 𝑖𝑏1 𝑉𝑔

1) 𝑣𝑙 = 𝑖𝑙 . 𝑅𝑙 𝑣𝑙 = −100𝑖𝑏2 4𝑘 𝑣𝑙 = −400𝑘 𝑖𝑏2 2) 2702.66 𝑖𝑏2 𝑖𝑏2 = −100𝑖𝑏1 ( )→ = −2.56 2702.66 + 100𝑘 + 2840 𝑖𝑏1 3) 𝑣𝑖 1 1 = = 𝑖𝑏1 2840 + 100000 102𝑘

𝑉𝑙 1 = −400𝑘 𝑥 − 2.56 𝑥 = 10.03 𝑉𝑔 102𝑘

Como observamos la ganancia disminuye abruptamente. Esto quiere decir que nuestra salida puede ser apreciada correctamente en el osciloscopio puesto que no sobrepasamos el límite del vcc respecto al punto Q. Comparando con la ganancia de 13.14 que obtuvimos en la práctica, podemos verificar que el amplificador funciona correctamente. 3. Conclusiones  Al disminuir el RL observamos la disminución de ganancia de voltaje. Esto ocurre porque no se produce máxima transferencia de potencia ya que la resistencia de carga es menor que la impedancia de salida del amplificador.  El amplificador al tener mucha ganancia, genera una señal recortada. Esto ocurre debido a que usamos gran señal a la entrada.

 Quitar un condensador de desacoplo no disminuye la señal en gran escala, lo que se debe hacer es quitar los condensadores para obtener una ganancia que permita ver la señal sin recortes.  Es recomendable usar esta configuración cascada para bajas señales puesto que su ganancia tiende a ser muy alta.

AMPLIFICADOR CASCODE

En el laboratorio Para el diseño del amplificador cascada se utilizaron dos transistores 2N3904, el cual posee un beta (𝛽), condensadores de 10uF y resistencias de ¼ watt. Dado que estas resistencias no son de precisión sus valores varían y la polarización del transistor también. Sin embargo, las diferencias son mínimas. Aquí se obtuvo una tabla de los valores practico de las resistencias. Resistencia

Teórico

Practico

𝑹𝟏

82KΩ

80.7KΩ

𝑹𝟐

10KΩ

9.5KΩ

𝑹𝟑

8KΩ

7.8KΩ

𝑹𝑪

5KΩ

4.8KΩ

𝑹𝑬

100Ω

95Ω

4. Polarizando el transistor Polarizar el transistor significa determinar los voltajes y corrientes determinados para que el transistor trabaje en óptimas condiciones, es decir su punto Q. En el laboratorio, se usó una fuente DC a 10v y se procedió a medir las tensiones y corrientes. Los resultados fueron los siguientes. Parámetro

𝑸𝟏

𝑸𝟐

𝑰𝑪

0.96 𝑚𝐴

0.93 𝑚𝐴

𝑰𝑬

0.90 𝑚𝐴

0.96 𝑚𝐴

𝑽𝑪𝑬

0.952 𝑉

4.30 𝑉

𝑰𝑩

28.8 𝜇𝐴

4.7 𝜇𝐴

𝑽𝑪

1.042 𝑉

5.36 𝑉

𝑽𝑬

0.092 𝑉

1.043 𝑉

𝑽𝑹𝟑

0.743 𝑉

𝑽𝑹𝟐

0.947 𝑉

𝑽𝑹𝟏

8.32 𝑉

1. Funcionamiento como amplificador Para verificar que el transistor funcione debemos inyectar una señal alterna esta será amplificada de esta manera hallaremos su ganancia en alterna. Compararemos esta ganancia con la que obtuvimos en los cálculos teóricos. El osciloscopio mostró las siguientes medidas del generador: Voltaje pico a pico 284mV

Voltaje máximo 140mV

Voltaje RMS 80mV

NOTA1: No se pudo obtener una señal más atenuada porque estábamos en el límite del generador de señales del laboratorio. Aquí se muestra las medidas de la salida del amplificador cascada. Se muestra los valores del voltaje y ganancia al girar el potenciómetro.

VALOR

SALIDA

GANANCIA 𝑨𝒗

FORMA DE LA

𝑉𝑝𝑝

𝑉𝑚𝑎𝑥

𝑺𝒊𝒏 𝑹𝒍

9.20V

3.04V

32.394

RECORTADA

𝑹𝒍 = 𝟏𝟎𝒌

8.08V

2.40V

28.450

RECORTADA

𝑹𝒍 = 𝟏𝒌

4.40V

1.04V

15.492

RECORTADA

𝑹𝒍 = 𝟏𝟎𝟎

640mV

240mV

2.253

RECORTADA

SEÑAL

Fotos del osciloscopio conectado al amplificador

𝑆𝑖𝑛 𝑅𝑙

𝑅𝑙 = 10𝑘

𝑅𝑙 = 1𝑘

𝑅𝑙 = 100

Efecto del condensador de desacoplo Como obtuvimos una señal recortada a la salida del amplificador optamos por quitar el condensador de desacoplo para verificar si el amplificador está funcionando correctamente. Previo a hacerlo hicimos un cálculo de la nueva ganancia obtenida teóricamente.

𝑉𝑙 𝑉𝑙 𝑖𝑐2 𝑖𝑏1 = 𝑥 𝑥 𝑉𝑔 𝑖𝑐2 𝑖𝑏1 𝑉𝑔

4) 𝑣𝑙 = 𝑖𝑙 . 𝑅𝑙 𝑣𝑙 = 1𝑖𝑏2 5𝑘 𝑣𝑙 = 5𝑘 𝑖𝑏2 5) 𝑖𝑐2 = 100𝑖𝑏1 →

𝑖𝑐2 = 100 𝑖𝑏1

6) 𝑣𝑖 1 1 = = 𝑖𝑏1 2700 + 10000 12.7𝑘

𝑉𝑙 1 = 5𝑘 𝑥 100 𝑥 = 39.37 𝑉𝑔 12.7𝑘

En la práctica obtuvimos una ganancia de aproximadamente 24. Esta variación puede deberse a muchos factores como resistencias, el transistor o mediciones del osciloscopio. Sin embargo consideramos el resultado aproximado a nuestra ganancia teórica.

𝑹𝒍 = 𝟎

𝑽𝑷𝑷

𝑨𝒗 Practica

𝑺𝒊𝒏 𝑪𝒆

6.72V

23.66

EFECTO FRECUENCIA EN LA GANANCIA La presencia de condensadores en un amplificador hace que la ganancia de éste dependa de la frecuencia. Los condensadores de acoplo y desacoplo limitan su respuesta a baja frecuencia, y los parámetros de pequeña señal de los transistores que dependen de la frecuencia así como las capacidades parásitas asociadas a los dispositivos activos limitan su respuesta a alta frecuencia. Además un incremento en el número de etapas amplificadoras conectadas

en cascada también limita a su vez la respuesta a bajas y altas frecuencias. Veamos como la frecuencia afectó la variación de frecuencia a la ganancia. 𝑽𝒑𝒑

𝑨𝒗 PRACTICA

1KHz

6.72V

23.66

10Hz

212mV

0.74

1Hz

176mV

0.61

𝑹𝒍 = 𝟎 𝒚 𝑺𝒊𝒏 𝑪𝒆

𝑭𝒓𝒆𝒄𝒖𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂

Observamos que a frecuencias muy bajas la ganancia cae abruptamente.

Efecto en frecuencia 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1

10

1000

 CONCLUSIONES 

Observamos que a medida que disminuimos la resistencia de carga, la ganancia disminuye también. Esto se debe a que la impedancia de salida es relativamente grande y a impedancias bajas a la salida esta tensión de salida de atenuará.

 Observamos que el efecto al disminuir la frecuencia de trabajo (1k) la ganancia disminuye también. Esto se debe a los capacitores utilizados.  A altas frecuencias resulta muy efectivo ya que el efecto Miller no influye mucho en el amplificador.  La etapa de amplificación EC del cascode presenta una ganancia en banda media aproximadamente igual a 1 debido a la impedancia de entrada del base común.

AMPLIFICADOR DARLINTONG CON BOOSTRAP

1. Resultados en DC Para la polarización del amplificador se obtuvieron los siguientes resultados: Parámetro

𝑸𝟏

𝑸𝟐

𝑰𝑪

24.4𝑢𝐴

4.03 𝑚𝐴

𝑰𝑬

24.8 𝑢𝐴

4.7 𝑚𝐴

𝑽𝑪𝑬

5.2 𝑉

5.9 𝑉

𝑰𝑩

3𝑛𝐴

24.5𝜇𝐴

2. Impedancia de salida Para hallar la impedancia de salida colocamos un potenciómetro este servirá como medio para llegar a la impedancia de salida del circuito. Obteniendo así, la máxima transferencia de potencia es

decir la impedancia del amplificador será la misma que el del potenciómetro. La tensión obtenida fue aproximadamente la mitad de la tensión media. Al inicio nos surgió un problema puesto que la señal se recortaba en los barridos negativos de la entrada. Esto ocurrió debido a que la tensión de entrada era muy grande la cual generaba corrientes que no eran aceptables para el diseño. Por ello la solución inmediata era disminuir la tensión a milivoltios.

Al ingresar un tensión menor, para una resistencia en el potenciómetro de 10ohmios (previo calculo el Zo obtuvimos 9.52ohmios).

Esta tensión es aproximadamente la mitad de la tensión amplificada.

3. Resultados en AC La tensión de salida fue idéntica a la entrada. Como era de esperarse ya que la ganancia obtenida en análisis previos fue de 0.99. Además las tensiones están en fase lo cual es una ventaja en este amplificador.

4. Resultados en Frecuencia del amplificador Para verificar cual era la frecuencia de corte experimental, variamos la frecuencia a fin de encontrar una frecuencia próxima donde la tensión de salida fue 0.707 la ganancia media. Sin embargo no obtuvimos buenos resultados ya que la tensión no se atenuaba incluso al 1Hz.

Entonces haciendo una gráfica dB vs frecuencia: 1.5 1 0.5 0 0

100

1K

10K

100K

1M

10M

30M

35M

-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5

5. Conclusiones  El amplificador Darlington permite controlar cargas muy pequeñas sin atenuar la tensión de salida, es decir, posee una ganancia de corriente alta.

 El bootstrap permite una realimentación a la entrada del amplificador de esta manera podemos obtener una ganancia mucho más grande.  La resistencia 100k, permite aumentar la impedancia de entrada, así, obtenemos mayor corriente.  No existe desfasaje en el amplificador Darlington.  Este circuito no acepta tensiones muy grandes a la entrada, pues genera distorsión.  La frecuencia de corte para este amplificador es casi nulo puesto que el condensador de 22uF logra hacer que funcione amplificador incluso a frecuencias muy bajas.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

1. Resultados en DC Para la polarización del amplificador se obtuvieron los siguientes resultados: Parámetro

𝑸𝟏

𝑸𝟐

𝑰𝑪

0.98𝑚𝐴

0.97𝑚𝐴

𝑰𝑬

0.99𝑚𝐴

0.98 𝑚𝐴

𝑽𝑪𝑬

4.7 𝑉

5𝑉

𝑰𝑩

14.2𝑢𝐴

14𝜇𝐴

2. Impedancia de salida Para hallar la impedancia de salida colocamos un potenciómetro este servirá como medio para llegar a la impedancia de salida del circuito. Obteniendo así, la máxima transferencia de potencia es decir la impedancia del amplificador será la misma que el del

potenciómetro. La tensión obtenida fue aproximadamente la mitad de la tensión media. La ganancia media es de 59.43 experimentalmente. Giraremos el potenciómetro hasta obtener un 42.02. Para una resistencia de 4k obtuvimos los siguientes valores.

3. Analisis en AC Hallando la ganancia en modo común: Inyectamos dos señales similares a las entradas del amplificador. De tal manera que obtenemos la señal en modo común a la salida esto se debe a que las polarizaciones y características internas del transistor no son idénticas para ambos.

Hallando la ganancia en modo diferencial: Para ello inyectamos una señal de 60mVrms a una de las entradas y la otra la derivamos a tierra.

4. Resultados en frecuencia del amplificador Para hallar la frecuencia de corte inferior variamos la frecuencia de tal manera que obtengamos 0.707 la ganancia media o voltaje medio de salida.

Sin embargo no obtuvimos buenos resultados ya que la tensión no se atenuaba incluso al 1Hz.

Haciendo una gráfica de su respuesta en frecuencia 1.5 1 0.5 0 0

100

1K

10K

100K

1M

10M

30M

35M

-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5

5. Conclusiones  El amplificador diferencial debe ser polarizado con rigurosa exactitud, puesto que así disminuimos el CMRR.

 El amplificador diferencial es la base de los OPAMPS.  Consideramos una salida de un colector de cualquier transistor. La base de este transistor será la entrada inversora, la otra base será la entrada no inversora.  Es importante reducir el CMRR puesto que si es considerablemente alta, genera errores a la salida.

RESPUESTA EN FRECUENCIA DE UN AMPLIFICADOR TRANSISTORIZADO

1. Resultados en DC Para la polarización del amplificador se obtuvieron los siguientes resultados: Parámetro

𝑸𝟏

𝑰𝑪

0.99𝑚𝐴

𝑰𝑬

1𝑚𝐴

𝑽𝑪𝑬

5.1 𝑉

𝑰𝑩

6.76𝑢𝐴

2. Resultados en AC Inyectamos una señal de 20mVrms a la entrada del amplificador obteniendo en la salida una tensión media de 1.76v es decir una ganancia media de 88.44.

Ya que es un circuito emisor común se observa que la señal de salida está desfasada 180° de la señal de entrada. 3. Resultados en frecuencia del amplificador Para analizar la frecuencia consideramos el siguiente cuadro que nos ayudará a ubicar la frecuencia de corte inferior del amplificador. Cabe mencionar que previamente fijamos la frecuencia de corte 500Hz Frecuencia 100 Av(dB)

500

1k

10k

100k

1M

10M

24.65 36.36 38.15 38.93 39.77 39.41 33.34

Como podemos observar obtuvimos una ganancia media de 39. A 500Hz se tiene aproximadamente 36, es decir -3dB la ganancia media. Fijando así 500 como frecuencia de corte inferior

Ganancia (dB) vs Frecuencia 45 40 36.32

35

38.11

38.4

38.93 38.93 38.58

36.96 33.3

30

28.1

25

24.13

20 15

16.58

10 5 0 50

100

500

1K

10K

50K

100K

1M

5M

10M

20M

4. Conclusiones  Debemos considerar que la frecuencia de corte estará dado por el capacitor Ce. Por condición de diseño.  La frecuencia de corte es -3dB la frecuencia media del amplificador.  Al no obtener valores teóricos de los capacitores al momento de adquirir en el mercado se puede optar por la conexión en serie o paralelo. Pues, no todos los valores de capacitores son comerciales.  La frecuencia de corte se puede hallar también, regulando la frecuencia de tal manera de obtener 0.707 la tensión media del amplificador.  Al momento de inyectar la señal se debe considerar que la señal amplificada no sobrepase Vcc.  La frecuencia de corte superior estará dado por el transistor. Experimentalmente el 2n3904 se obtuvo fmax de 6Mhz a 9Mhz.

Amplificador Operacional – Características 1. Compare sus datos teóricos con los prácticos A. Medición del voltaje offset y su cancelación: 1. Implemente el circuito

2. Complete el cuadro correspondiente Vos = -VoR1 / (R1+R2) R1