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Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Mecánica Lic. En Ingeniería Mecánica Electrónica Industrial Martha Aleyda de Ycaza

LABORATORIO # 9 “EL TRANSISTOR BJT COMO AMPLIFICADOR” Nombre: Mariah Brown Cédula: 8-898-1315 e-mail: [email protected]

Resumen: El principal objetivo de este laboratorio es diseñar un amplificador a partir del transistor BJT con todas sus características de operación, y demostrar a través de una simulación en computadora el funcionamiento correcto del diseño. Desglosamos la parte teórica que facilite el diseño de este, y construimos el circuito en configuración de amplificador de tensión con emisor común. Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) del circuito de polarización con divisor de voltaje independiente de beta para el transistor bipolar y comparar estos valores con los calculados teóricamente. Analizar, simular y finalmente comprobar el comportamiento de un transistor BJT con una señal de entrada variante en el tiempo (AC). Descriptores: BJT, amplificador, modelo híbrido, punto de operación, recta de carga estática, carga dinámica. 1. Introducción. El amplificador emisor común se llama así porque las corrientes de base y de colector se combinan en el emisor. En la figura 1 se muestra la configuración del amplificador, donde se seleccionó un transistor npn. Para que una señal sea amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna, no tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, porque ésta no lleva ninguna información.

Figura 1. Diagrama Ejemplo de Ampllificador en emisor común. En un amplificador con transistores están involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y continua). La señal alterna es la señal para amplificar y la continua sirve para establecer el punto de operación del amplificador. Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada. Estos dos resistores forman un divisor de voltaje que permite tener en la base del transistor un voltaje necesario para establecer la corriente de polarización de la base. Con él se trata de amplificar una tensión cualquiera vi y aplicarla, una vez amplificada, a una carga que simbolizamos por la resistencia RL. La zona sombreada resalta el amplificador, que, en este caso, lo constituye un transistor BJT en la configuración emisor común. El cual, convenientemente polarizado en la zona activa, es capaz de comportarse como un amplificador de tensión. Los condensadores C1 y C2 que aparecen se denominan condensadores de acoplo y sirven para bloquear la componente continua. En concreto C1 sirve para acoplar la tensión que queremos amplificar al amplificador propiamente dicho, eliminando la posible componente continua que esta tensión pudiera tener. Si no bloqueásemos esta continua se sumaría a las corrientes de polarización del transistor modificando el punto de funcionamiento del mismo. Por otra parte, el condensador C2 nos permite acoplar la señal amplificada a la carga, eliminando la componente continua (la correspondiente al punto de polarización del transistor) de forma que a la carga llegue únicamente la componente alterna.

El condensador C3 es un condensador de desacoplo, su misión es la de proporcionar un camino a tierra a la componente alterna. En el capítulo anterior se analizó el efecto de la resistencia RE desde el punto de vista de su efecto en la estabilización del punto de polarización. Sin embargo, en este capítulo veremos cómo desde el punto de vista de la amplificación, esta resistencia hace disminuir la ganancia del amplificador. Al añadir el condensador de desacoplo conseguimos que la continua pase por RE mientras que la alterna pasaría por el condensador C3 consiguiendo que no afecte a la amplificación. Si en el circuito amplificador de la figura 1 aplicamos la condición de que los condensadores se comportan como circuitos abiertos, obtenemos el circuito equivalente en continua (figura 2). Podemos ver como este circuito es, precisamente, el circuito de polarización del transistor y de cuya resolución obtendríamos las tensiones y corrientes de continua presentes en el circuito.

Figura 2. Diagrama Circuito para análisis de DC. Si por el contrario, al circuito de la figura 1 le aplicamos las condiciones para obtener el circuito equivalente de alterna, es decir, suponemos que los condensadores se comportan como cortocircuitos e, igualmente, cortocircuitamos las fuentes de tensión de continua, el circuito que obtendríamos es el mostrado en la figura 3.

Figura 3. Diagrama Circuito para análisis de AC. La Recta de Carga Estática representa la sucesión de los infinitos puntos de funcionamiento que puede tener el transistor. Su ecuación se obtiene al analizar la malla de salida del circuito equivalente en continua. La Recta de Carga Estática está formada por los pares de valores (VCE, IC) que podría tener el transistor con esa malla de salida. Para obtener su ecuación matemática f(VCE,IC) = 0, planteamos las tensiones en la malla de salida del circuito equivalente en DC. La Recta de Carga Dinámica se obtiene al analizar la malla de salida del circuito equivalente de AC. Está formada por la sucesión de los pares de valores (vCE, iC). Notar que, a diferencia del caso anterior, en este caso nos referimos a los valores totales (alterna más continua) tanto de tensión como de corriente. Para obtener la ecuación matemática de esta recta f(vCE,iC) = 0, analizamos la malla de salida del circuito equivalente en alterna a la derecha del colector y emisor. Tenemos la ecuación de una recta que pasa por el punto de funcionamiento (punto Q) y cuya pendiente es el inverso del paralelo de RC y RL.

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. Figura 4. Ilustración del punto de operación Q. La Recta de Carga Dinámica siempre tiene más pendiente que la Recta de Carga Estática. Únicamente en el caso de un circuito en el que RE = 0 y la salida esté en circuito abierto (RL = ∞) ambas rectas coincidirán. La Recta de Carga Dinámica representa los pares de valores iC y vCE en cada instante como se puede ver gráficamente en la figura 5.

Figura 5. Ilustración del punto de operación Q en AC. Utilizaremos el modelo Híbrido simplificado para obtener el circuito equivalente de alterna, cortocircuitamos las fuentes de tensión de continua y los condensadores. En el circuito resultante, sustituiremos el transistor por su modelo en parámetros híbridos (recordar que siempre utilizaremos el modelo en parámetros de emisor común con independencia de la configuración del transistor.

Figura 6. Circuito Equivalente en Alterna.

El circuito resultante (figura 7) es el que tendremos que analizar y resolver para obtener las tensiones y corrientes incrementales (o de alterna). Valores, que sumados a los de polarización (según el principio de superposición) nos darán los valores totales de las corrientes y tensiones en los distintos puntos y ramas del circuito.

Figura 7. Circuito Equivalente en Alterna de pequeña señal con el modelo simplificado.

2. Materiales y métodos Los materiales por utilizarse serán el software de simulación MULTISIM, y la guía de laboratorio proporcionada por la instructora. 3. Resultados y discusión A partir del circuito en la figura 8, pasamos a hacer el análisis de su parte DC y AC respectivamente, con el fin de diseñar bajo nuestros parámetros.

Figura 8. Circuito Final obtenido del diseño del amplificador.

3.1. Diseño del amplificador Fijamos el punto de operación asumiendo una resistencia de Emisor RE = 220 Ω y una corriente a través del emisor de 4.5 mA, siendo este 10 veces mayor a la corriente de la base que aplicaremos. En la Ecuación 1 reemplazamos los valores de las resistencias en la malla de entrada con camino a tierra entre la base y el emisor Ec. (1) : Ec. (1) :

VB = VE + 0.6 V VB = (IE RE + 0.6 V)

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Ec. (1) : VB = 1.59 V Utilizando un divisor de voltaje con las Resistencias R1 y R2 Ec. (2) : Ec. (2) :

R1 / ( R1 + R2 ) = VB / VCC R1 / ( R1 + R2 ) = 1.59 / 18

Con el factor de 10 veces IC = 10IB nos queda la ecuación 3 en donde reemplazamos las resistencias R1 y R2 Ec. (3) : Ec. (3) :

( R1 + R2 ) = VCC B / 10IC ( R1 + R2 ) = 75*100 / 10*0.0045 Ec. (3) : ( R1 + R2 ) = 33kΩ

Reemplazando el resultado de la ecuación 2 con la ecuación 3 nos resulta que R1=2.65kΩ y R2=27.35kΩ Ahora con la data del fabricante obtenemos una IC max = 9mA, el cual lo reemplazamos en la ecuación 4.

Ec. (4) : IC max = Vcc / ( RC + RE ) Ec. (4) : ( RC + RE ) = 18 V / 9mA = 2k Ω por tanto RC = 1.78kΩ Para calcular los capacitors de acoplamiento tomaremos una frecuencia de operación por encima de los 20Hz, en la ecuación 5 calculamos el valor mínimo que debe tener el capacitor de acoplamiento en la entrada.

Ec. (5) : 1/ (Rin C1) < 2π Flow Con los valores de la Ecuación anterior y asumiendo una resistencia típica de 1kΩ , obtenemos que C1 > 11.2uF, por lo tanto tomaremos arbitrariamente el valor de C1 = 50uF. Aplicamos la misma ecuación para el capacitor de acoplamiento en la salida Ec. (6) : 1/ (RL C2) < 2π Flow Con los valores de la Ecuación anterior y asumiendo una resistencia de carga RL= 10kΩ, obtenemos que C2 > 0.8uF, por lo tanto, elegimos arbitrariamente una C2= 10uF. Para el capacitor en el emisor utilizamos la ecuación 7. Reemplazando encontramos que CE > 36 uF por lo que elegimos que el capacitor tenga un valor superior de CE = 100 uF Ec. (7) : CE >> 1/ (2π Fmin RE ) Los cálculos de ganancias de corriente y de voltaje están dados por las ecuaciones 8 y 9 respectivamente. Reemplazamos por los valores que hemos calculado. Ec. (8) : Gv = -RC / RE Ec. (7) : Gv = -1.78 k / 220 = 8.09 V/V Ec. (9) : Gi = - B RL / Zin Ec. (7) : Gi = - 75 (10k) / 10* 7.7k = 9.74 A/A 3.2. Pruebas y Simulación A partir de todos los valores que hemos encontrado en el apartado de diseño pasamos a simular el circuito en nuestro software. En la simulación observamos amplificación de Voltaje Gv = - 11.468 / 1.3858 = - 8.29 V/V en las figuras 9 y 10. Por otro lado la amplificación de corriente Gi = - 1.1468mA / 113.98uA = - 10.06 A/A la ilustramos en las figuras 11 y 12.

Figura 9. Circuito Final Simulado con Voltímetro.

Figura 10. Imagen del Osciloscopio virtual midiendo voltaje de entrada y salida del amplificador.

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Figura 11. Circuito Final Simulado con Amperímetro.

Figura 12. Imagen del Osciloscopio virtual midiendo corriente de entrada y salida del amplificador. 4. Conclusiones Es de suma importancia establecer el punto de operación de nuestro amplificador en base a las características que necesitamos en la salida y las condiciones que tendremos en la entrada. Estos son las guías de los parámetros que asumimos como los que dan el rango operativo para tomar uno. Al amplificarse la señal, se logra obtener un desfase de 180 grados, por lo que si se requiere un amplificador en sincronía se debe considerar otro diseño u otra etapa de inversión. Los valores de las resistencias de la fuente de entrada como la resistencia de la carga influyen altamente en el comportamiento de nuestro amplificador.

5. Bibliografía HORENSTEIN MARK N. , 1997. Microelectrónica circuitos y dispositivos. 2a. Ed. Prentice Hall. MILLMAN Y GRABEL, 1989. Microelectrónica. Mc Graw Hill. SCHNADOWER BARAN I., 1979 Circuitos electrónicos digitales. Mc Graw Hill.