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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

Circuitos con transistores

Octubre 2018

jlr marrero, electrónica, octubre 2018 1

Este manual es una guía para uso directo en el laboratorio y noun sustituto de un buen libro de laboratorio. Losejercicios de laboratorio de los tres primeros capítulos deeste manual son una adaptación de algunos ejercicios dellibro:

T.C. Hayes, P. Horowitz Student Manual for the Art of Electronics. Cambridge Univ. Press. 1989.

Este excelente libro es muy recomendable porque contiene muchos detalles teórico-prácticos, tanto de electrónicaanalógica como digital, que se han omitido en esta traducción. Imbatible para el trabajo de laboratorio.

Existe una nueva edición del libro de laboratorio:

T.C. Hayes, P. Horowitz Learning the Art of Electronics. Cambridge Univ. Press. 2016.

También son muy recomendables los libros de electrónica de Horowitz-Hill siguientes:

P. Horowitz, W. Hill , “ The Art of Electronics", 2nd edition, Cambridge University Press, 1989. Este librocubre mucho más de lo que se estudiará en este curso. Será muy útil para aquellos alumnos que siganestudiando electrónica en cursos posteriores. Un libro para el lector inteligente.

P. Horowitz, W. Hill , “ The Art of Electronics", 3rd edition, Cambridge University Press, 2015. Esta ediciónes aún mejor que la edición anterior, con mucho más material (y algunas omisiones). No se vaya a la camasin leer alguna página de este libro. Inmenso!

Índice general

1. Transistor bipolar I 31.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 31.2. Seguidor de emisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 31.3. Resistencias de entrada y salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4. Polarización de un seguidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 41.5. Emisor común I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 51.6. Emisor común II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 51.7. Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 61.8. Polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 61.9. Seguidor Push-Pull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 7

2. Transistor bipolar II 92.1. Diseño de un amplificador multietapa. Informe # 1 . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2. Amplificador diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 102.3. Respuesta en frecuencia: efecto Miller . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.4. Realimentación negativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 122.5. Seguidor push-pull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 14

3. Diseño: Amplificador BJT realimentado 153.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 153.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 153.3. Primera fase del diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 153.4. Segunda fase del diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 173.5. Medidas y Documentación. Informe # 2 . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 18

4. Realimentación positiva 194.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 194.2. Comparadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 194.3. Oscilador de relajación: astable . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.4. Oscilador senoidal: Puente de Wien . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 204.5. Diseño de un oscilador senoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 214.6. Oscilaciones no deseadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 21

2

Laboratorio 1

Transistor bipolar I

1.1. Objetivos

Estos ejercicios sirven de introducción a los circuitos amplificadores con transistores bipolares. Los objetivosson familiarizar al alumno con técnicas de medida, manejar con soltura los instrumentos típicos de un laboratoriode electrónica, y conocer las propiedades de las etapas básicas de amplificación. Estas etapas son la base del diseñode circuitos más complejos.

Aunque la mayoría de los diseños que uno haga en el futuro se basarán en el uso de circuitos integrados,el conocimiento del funcionamiento de los circuitos con transistores nos permite entender mejor los modernosdiseños de circuitos integrados y obtener de ellos el máximorendimiento.

Usaremos los transistores2N3904(NPN) y2N3906(PNP), o equivalentes.

1.2. Seguidor de emisor

El objetivo básico de esta sección es comprobar la necesidadde polarizar adecuadamente el transistor para quepueda amplificar.

Monte el circuito de la figura. La resistencia de270Ω evita oscilaciones indeseadas en el circuito. Otra al-ternativa para evitarlas es colocar un condensador de unos10µF entre el colector del transistor y tierra. Estosfenómenos se estudian al final de este curso (véaseOscilaciones no deseadas en el Laboratorio 4).

+15V

270

3.3 k

vi

v0

VEE

1. Aplique una señal senoidal de1 kHz sin componente continua al circuito.

2. Observe en el osciloscopio la señal de salida. ¿Es una réplica de la señal de entrada? ¿Por qué?

3. ¿Qué ocurre si la señal de entrada tiene nivel medio positivo?

4. Si conectamos el punto marcadoVEE a−15V, ¿qué pasa? Explique la mejora.

3


1.3. Resistencias de entrada y salida

En esta sección vamos a intentar medir las resistencias de entrada y salida de una etapa amplificadora sencilla.Para ello montamos el circuito de la figura siguiente. La resistencia de10 kΩ no es necesaria para que este circuitofuncione correctamente, pero nos servirá para modelar la resistencia interna de la fuente de señalvi (y evitaráoscilaciones indeseadas, véase el apartado anterior). Aplique una señal senoidal de 1kHz a la entrada del circuito.

−

+15V

10 k

3.3 k

vi

4.7µF

−15V

Rin

Rout

1 k

+

+

1. Para realizar la medida de la resistencia de entrada del amplificador añadimos una resistencia en serie a laentrada y medimos las diferencias entre las tensiones de salida. Es conveniente insertar una resistencia delorden de la que vamos a medir (Rin) para reducir errores en la medida. De las medidas de la tensión de salidase puede deducir la resistencia de entradaRin.Ojo! Las tensiones de cada punto tienen dos componentes, continua y alterna. ¿Qué componente debe usarpara medir la resistencia de entrada?

2. Para medir la resistencia de salidaRout conecte una resistencia de1 kΩ a la salida del amplificador y observeel cambio en la tensión de salida sin cambiar la amplitud de laseñal de entrada. El condensador de bloqueose podría omitir en este caso (¿por qué?); se pone para evitarcambiar el punto de trabajo del transistor.

3. ¿Qué valor deβ se deduce de estas medidas? ¿Coincide con laβ medida con un polímetro?

1.4. Polarización de un seguidor

El circuito de la figura es un seguidor polarizado con una única fuente de tensión. El divisor de tensión polarizala base del transistor. ¿Está bien polarizado?

+15V

130 k

150 k

viv0

1µF

7.5 k

+

Aplique una tensión senoidal a la entrada y aumente su nivel hasta que observe distorsión por recorte de la cresta(clipping). Para entender el origen de esta distorsión, observe la tensión de base del transistor en el osciloscopio.


¿Qué ocurre cuando la tensión de la base se aproxima a la tensión de alimentación? ¿Y si la tensión de base sehace muy pequeña?

1.5. Emisor común I

El circuito de la figura muestra una etapa amplificadora en emisor común. ¿Está bien polarizado? ¿Por qué?

+15V

1 k10 k

82 k 6.8 k

vi

v0

0.1µF

1. Mida el punto de trabajo.

2. Mida su ganancia y compruebe que obtiene lo esperado.

3. Mida la resistencia de entrada y la frecuencia de corte inferior del circuito.

4. ¿Qué resistencia de salida tiene el circuito? Mídala usando una resistencia y un condensador de bloqueo. ¿Esnecesario el condensador de bloqueo?

1.6. Emisor común II

La ganancia de un emisor común se puede aumentar desacoplando parcial o totalmente la resistencia de emisorcon un condensador. El emisor común del circuito de la figura siguiente muestra una posible modificación.

+15V

10 k

82 k 6.8 k

vi

v0

22µF

+

+820

180

1µF

Sin embargo, esta modificación presenta dos desventajas: menoresmargen dinámicoy resistencia de entra-da. Se denominamargen dinámico de entradaal margen de valores de la amplitud de la señal de entrada sin


distorsión a la salida. Hay dos tipos de distorsión que podemos observar en estos circuitos:distorsión blanda ydistorsión dura. Ambas son debidas a características no lineales de los transistores. La primera aparece cuando elnivel de señal usado hace que el modelo lineal del transistoren modo activo no sea válido. La distorsión dura esdebida a que el transistor cambia de modo de funcionamiento,bien porque entra en corte o en saturación.

La distorsión dura es muy fácil de ver: las señales se recortan de forma ostensible. En cambio, no es fácildetectar la distorsión blanda observando las formas de ondaen el osciloscopio si usamos señales senoidales porquelos cambios en esta forma de onda son muy suaves. Por este motivo debe usar una señal triangular cuando quieraobservar la distorsión blanda, o quiera asegurarse de que nola hay.

1. Mida el punto de trabajo del circuito. ¿Está bien polarizado?

2. Aplique una señal triangular de5 kHz y de pequeña amplitud, de modo que el transistor funcione en régimenlineal. Aumente la amplitud hasta que casi se produzca un recorte en la onda de salida. ¿Es la señal de salidauna réplica de la señal de entrada? ¿Por qué?

3. Una forma sencilla de determinar el nivel de señal de entrada a partir del cual hay distorsión blanda es lasiguiente. Mida el punto de trabajo del transistor (la tensión de colector, por ejemplo) sin señal de entrada.El nivel medio de esta tensión no cambia si aplicamos una señal senoidal de muy pequeña amplitud. Sinembargo, para valores mayores de la señal de entrada, el nivel medio de la tensión de colector cambia. Estoes debido a la distorsión. ¿Qué margen dinámico tiene el amplificador?

4. Mida la ganancia sin distorsión y su resistencia de entrada.

5. ¿Qué ocurre si quitamos el condensador de 22µF? Observe el aumento del margen dinámico del amplifica-dor. ¿Por qué aumenta? ¿Qué ganancia tiene ahora el circuito? Mida la nueva resistencia de entrada.

1.7. Buffer

El seguidor del circuito de la figura se suele usar como etapa buffer. Un buffer es un circuito que se pone entreotros dos para sacar el mejor rendimiento a ambos. En este caso, el buffer es un seguidor que se emplea para bajar laresistencia de salida de una etapa amplificadora. Aunque no aporta ganancia, la ganancia global de un amplificadormultietapa mejora porque adapta los niveles de impedancia entre las diferentes etapas.

R

Diseñe el circuitobuffer para una corriente de colector de unos 10 mA.

1. Conecte el circuito de la figura a la salida de la etapa anterior. Piense cuidadosamente en el acoplamiento yla polarización.

2. Mida ahora la resistencia de salida usando una señal de entrada de pequeña amplitud.

3. ¿Se modifica la ganancia del amplificador formado por las dos etapas? Mídala.

1.8. Polarización

En esta sección vamos a estudiar la sensibilidad de la polarización de una etapa amplificadora con la tempe-ratura.


EJEMPLO DE BUENA POLARIZACIÓN

El circuito siguiente es un circuito que tiene realimentación para estabilizar el punto de trabajo del transistor.¿Puede dar argumentos sencillos que prueben este aserto? Para ver la estabilidad de la polarización mida la tensiónde colector y cambie la temperatura del transistor sujetándolo con la mano. ¿Qué observa?

+15V

68 k

8.2 k

6.8 k

EJEMPLO DE MALA POLARIZACIÓN

Este circuito no tiene realimentación para estabilizar su punto de trabajo. Por ello, necesitamos un potenció-metro para fijar su corriente de colector, pues la corriente de colector del transistor es muy sensible a cambios en latensión entre base y emisor ya que la característicaiC − vBE del transistor es exponencial. Ajuste el potenciómetropara que la tensión de colector sea aproximadamente7V. ¿Qué ocurre si cambiamos la temperatura del transistor?

+15V

68 k

8.2 k

6.8 k

50 k

1.9. Seguidor Push-Pull

Este circuito es una etapa de salida muy común en amplificadores de potencia. El motivo es que no suministracorriente a la carga en ausencia de señal de entrada, aumentando el rendimiento de la etapa. Un problema quepresenta este circuito es que la señal de salida tienedistorsión de cruce(crossover distortion). Use una señalsenoidal de unos pocos voltios de amplitud a la entrada y analice la respuesta del circuito. Pruebe con señales dediversa amplitud y nivel medio. Explique el resultado.


Nota: La resistencia de 470Ω evita oscilaciones no deseadas que podrían tener lugar, similar a la resistencia de270Ω que usamos en el circuito seguidor.

+15V

6.8 k

−15V

in out470

Laboratorio 2

Transistor bipolar II

2.1. Diseño de un amplificador multietapa. Informe # 1

La figura muestra un amplificador de tres etapas sencillo: seguidor+ emisor común+ seguidor. El acoplamien-to directo simplifica el circuito. El emisor común con un condensador de desacoplo en la resistencia de emisor seusa para conseguir alta ganancia. Pero como este condensador reduce la resistencia de entrada, se añade un segui-dor. El seguidorQ3 se pone para reducir la resistencia de salida. Los requisitos del diseño son los siguientes:

1. Alta ganancia, mayor de100V/V.

2. La resistencia de entrada debe ser al menos10 kΩ.

3. El nivel medio de la señal de salida debe permitir máxima excursión simétrica de la señal.

4. La señal a amplificar se acopla capacitivamente. La frecuencia de corte debe ser de unos100Hz.

vi

v0

RC

RE2RE3

Q2

Q3

+10V

R1

R2

RE1

Q1

C1

C2

+

+

Uno de los objetivos es diseñar una red de polarización para la primera etapa. Como esta etapa está acopladadirectamente a la segunda etapa, la polarización de la primera etapa afectará a la segunda. Los pasos a seguirpodrían ser los siguientes:

Determine las resistencias de la etapa de ganancia para obtener la ganancia deseada. Esto fijará la corrienteen el transistorQ2.

Diseñe el seguidor de entrada para que suministre la señal a amplificar con el correspondiente nivel detensión continua. Además tenga presente la resistencia de entrada exigida.

Determine las capacidades para cumplir el requisito de frecuencia de corte inferior.

9


Una vez diseñado el circuito deberá montarse en una placa y comprobar los requisitos pedidos. Un primerpaso es comprobar que la polarización de los transistores (2N3904) corresponde a lo diseñado. Una vez que estoha sido resuelto, debe considerarse el estudio experimental de las características de pequeña señal del circuito,asegurandose que todas las medidas se realizan a frecuencias medias.

Informe # 1: Cada diseño deberá estar acompañado de un breve documento que contenga los puntos siguientes:

1. Especificaciones pedidas.

2. Esquema final.

3. Datos de la simulación usando LTspice

4. Resultados experimentales.

2.2. Amplificador diferencial

En este ejercicio vamos a analizar la amplificación de señales débiles de un sensor en presencia de perturbacio-nes eléctricas importantes. Para ello, usaremos un generador de señal de1 kHz (de unos100mV de amplitud en elsecundario del transformador) para modelar la señal del sensor. La perturbación eléctrica común es modelada porla señal del generador de100Hz y de mucha mayor amplitud (de unos5V).

1 kHz

100Hz

vd

vcm

+

+

−

−

Usaremos el generador mixto anterior para aplicar una señalsuma de dos señalesal amplificador diferencialde la figura.

v0

+20V

10 k 10 k

v+100100

5.6 k

−20V

+ +v−

1µF 1µF

10 k


1. Mida la ganancia en modo común.

2. Mida la ganancia en modo diferencial.

3. Observe la señal de salida compuesta y compárela con la señal compuesta de entrada.

4. Determine la relación de rechazo en modo común.

La relación de rechazo mejora sensiblemente si el amplificador diferencial emplea una fuente de corriente. ¿Porqué? Sustituya la resistencia de10 kΩ por la fuente de corriente de la figura siguiente. DetermineI0 y calcule lasganancias diferencial y en modo común del nuevo amplificador. Compruebe estos resultados experimentalmente yobserve la diferencia en la señal compuesta de salida respecto al caso anterior.

Nota: La ganancia en modo común medida será mayor que la calculada.La discrepancia es debida en granmedida a la capacidad colector-base de los transistores delpar diferencial. Otras capacidades, como la capacidadcolector-emisor de la fuente de corriente, también degradan la relación CMRR. Esta capacidad aparece en paralelocon la fuente de corriente, reduciendo la impedancia de la fuente. El efecto de estas capacidades aumenta con lafrecuencia. Por tanto, la ganancia en modo común debe disminuir al reducir la frecuencia de la señal común.

−20V

12 k

1.5 k2.7 k

I0

2.3. Respuesta en frecuencia: efecto Miller

La capacidad de la unión colector-base de un transistor bipolar limita seriamente el ancho de banda de algunasetapas amplificadoras. Esto ocurre cuando la ganancia entrebase y colector es muy grande y se conoce comoefectoMiller . El efecto Miller reduce considerablemente el ancho de banda de las etapas en emisor común.

Este ejercicio consta de dos partes. En una primera parte estudiamos la reducción del ancho de banda de uncircuito emisor común por efecto Miller. En la segunda parteestudiamos un método para cancelar este efectoaplicado al emisor común, del que resulta el amplificador cascodo.

EMISOR COMÚN

1. Monte el circuito emisor común de la figura. Mida su punto detrabajo y su ganancia. Compruebe estosresultados con los valores calculados.

2. Mida la frecuencia de corte inferior. La etapa que suministra señal a este circuito es modelada por una fuentede señalvs y una resistencia de5.6 kΩ.

3. Mida la frecuencia de corte superior. ¿Qué le ocurre a estafrecuencia si colocamos el condensador de33 pFentre colector y base del transistor? ¿Por qué ocurre esto? Calcule de forma aproximada esta frecuencia ycompruebe que coincide con la frecuencia medida. (Nota: La capacidad de la unión colector-base de estetransistor esCµ ≈ 2 pF. En estos cálculos se puede ignorar, ¿por qué?)


−

+15V

1µF

68µFvs

v0

56 k

5.6 k

7.5 k

680

33 pF

5.6 k+

++

CIRCUITO CASCODO

El circuito de la figura pretende eliminar el efecto Miller que redujo considerablemente el ancho de banda delcircuito anterior. El nuevo circuito es una modificación delcircuito emisor común anterior al que se le ha añadidoel transistorQ2 y su correspondiente red de polarización.

1. Monte el circuito cascodo. Mida su punto de trabajo y su ganancia. Compruebe estos resultados con losvalores calculados.

2. Mida la frecuencia de corte superior.

3. Conecte capacidades de33 pF entre el colector y la base de ambos transistores y mida nuevamente sufrecuencia de corte superior.

4. Observe (usando el osciloscopio) las tensiones en la basey colector del transistorQ1 y en la base deltransistorQ2. ¿Puede explicar la respuesta en frecuencia de este circuito en base a estas observaciones?Agudo el cascodo!

−

+15V

1µF

1µF

68µF

vs

v0

56 k

5.6 k

7.5 k

680

5.6 k

Q1

6.8 k

Q2

33 k

+

+

+

+

2.4. Realimentación negativa

El estudio de la realimentación negativa es importante porque produce mejoras en los circuitos amplificadorestales como estabilidad de la ganancia frente a variaciones de los parámetros de los elementos activos, así como un


control preciso de las resistencias de entrada y salida de los amplificadores.En este apartado estudiaremos las propiedades de un amplificador conrealimentación serie-paralelo. La

figura siguiente muestra un esquema de bloques de esta configuración. En esta configuración, una muestra de laseñal de tensión de salida se compara con la señal de tensión de entrada. Se denomina realimentación serie-paraleloporque lared de realimentación(de gananciaB) se conecta en serie con la entrada delamplificador básico (degananciaA) y en paralelo con su salida.

vi v0A

B

+

−

ve

vf

En esta figura,vi y v0 son las señales de entrada y salida del amplificador realimentado. La redB suministra unatensiónvf = Bv0 que es realimentada a la entrada, donde se genera laseñal error ve = vi − vf . El amplificadorbásico amplifica esta señal y producev0 = Ave. Por tanto, la ganancia de tensión del amplificador realimentadose puede escribir como:

AF ≡v0vi

=A

1 + T=

1

B

(

T

1 + T

)

,

donde se ha introducido laganancia de bucleT = AB. Si la ganancia de bucle es muy grande,T ≫ 1, la gananciadel amplificador realimentado depende exclusivamente de lared de realimentación

AF ≈1

B.

Para que el amplificador realimentado tenga ganancia,B ≤ 1, que junto aT ≫ 1 implica queAF ≈ 1/B ≪ A.Es decir, si la ganancia de bucleT es mucho mayor que la unidad, la ganancia del amplificador realimentadoAF

es insensible a cambios en la ganancia del amplificador básico A. Estos cambios se pueden deber a cambios detemperatura, envejecimiento de componentes o a cambios en la polarización de los componentes. El precio a pagares que la ganancia obtenidaAF es mucho menor que la ganancia del amplificador básicoA.

Además, se verifica que la resistencia de entrada del amplificador realimentadoRif es mucho mayor que la delamplificador básico,Rin,

Rif = Rin (1 + T ),

mientras que la resistencia de salidaRof es mucho menor que la resistencia de salida del amplificador básico,Rout,

Rof =Rout

1 + T.

El circuito de la figura muestra un amplificador realimentadoserie-paralelo.

1. ¿Es la realimentación de este circuito negativa? Explique brevemente el motivo.

2. Identifique el circuito que forma el amplificador básico.

3. Identifique la red de realimentación. ¿Cuanto vale su ganancia?

4. Indique si espera que la ganancia de bucle sea alta, y los motivos. ¿Qué ganancia tendrá en este caso elamplificador realimentado?

5. Monte el circuito y mida su punto de trabajo y ganancia. ¿Son los resultados los esperados? ¿Por qué fun-ciona correctamente este circuito si el transistorQ3 no tiene resistencia de emisor?

6. ¿Qué ocurre si abrimos el lazo de realimentación? Pruebe adesconectar la resistencia de22 kΩ de la salidaconectándola a tierra. Explique lo observado.

7. ¿Qué puede ocurrir si cambiamos la resistencia de22 kΩ por una de de10 kΩ? ¿Por qué?


+−

+6V

−6V

Q1 Q2

Q3

1.2 k

22 k

1 k

5.6 k 10 k

vi

v0

2.5. Seguidor push-pull

Los amplificadores operacionales tienen limitada la corriente que pueden suministrar o absorber. Esta corrientees del orden de20 a25mA para los operacionales usados en este laboratorio. En algunas aplicaciones es necesariosuministrar corrientes más grandes. El circuito siguientees una opción: la corriente de salida es suministrada porun seguidorpush-pull. La resistencia de390Ω evita oscilaciones no deseadas que podrían tener lugar (véase elLaboratorio 4 para una explicación).

−

+

+15V

−15V

10 k

100 k

390

1 k

viv0

1. Aplique una señal senoidal de100−500Hz. Observe la señal de salida del operacional y luego la del buffer.Asegúrese que la señal de entrada no tiene componente continua. La distorsión a la salida del buffer seconoce comodistorsión de cruce(crossover distortion). ¿A qué es debida?

2. Conecte la resistencia de100 kΩ entre la entrada inversora del operacional y la salida del buffer. ¿Por quédesaparece la distorsión de cruce? Eche una mirada a la salida del operacional. Agudo, eh?Nota: Convendría poner una resistenciaR ∼ 100Ω entre las bases y los emisores del push-pull para evitarque el circuito esté sin realimentar cuando la conducción pasa de un transistor al otro.

3. ¿Por qué no funciona este remedio si aumentamos mucho la frecuencia de la señal de entrada? El motivo esque la velocidad de respuesta del operacional está limitada.1 A este fenómeno se le conoce comoslew ratey nos dice la máxima pendiente de la tensión de salida del amplificador operacional. Para amplificadoresoperacionales de baja potencia es habitual unslew rate menor que1V/µs. Observe la salida del operacionalal aumentar la frecuencia de la señal de entrada para entender este fenómeno.

1Muchos amplificadores operacionales están compensados internamente para evitar oscilaciones indeseadas. La capacidad de compensaciónde los amplificadores operacionales limita su ancho de banda. Esta capacidad junto a las limitaciones de las corrientes que pueden cargarla odescargarla fijan elslew rate. Véase sección 4.4 de la tercera edición de Horowitz-Hill para más detalles.

Laboratorio 3

Diseño: Amplificador BJT realimentado

3.1. Objetivos

En esta parte del curso vamos a diseñar un amplificador complejo que cumpla ciertas especificaciones deganancia, ancho de banda, impedancias de entrada y salida, ymargen dinámico de salida. En principio, no esposible realizar tal amplificador con una de las etapas estudiadas hasta ahora. En general, es necesario conectarvarias etapas en serie, realimentádolas quizá, para que cumpla las especificaciones.

El proceso de diseño constará de tres fases. En una primera fase de diseño se realiza un estudio muy simpli-ficado de una solución a las especificaciones pedidas. La siguiente fase consiste en concretar el diseño mediantelos circuitos apropiados, realizando los cálculos simplificados (generalmente a mano) necesarios para comprobarque el circuito funciona y que cumple las especificaciones pedidas. En la última fase se realiza una simulación deldiseño y se afina hasta que los resultados de la simulación sean satisfactorios. Se procede entonces a montar elcircuito, y se realizan las pruebas y se hacen los cambios finales necesarios para cumplir las especificaciones.

Una vez concluido el proceso de diseño y pruebas, se documentará apropiadamente.

3.2. Especificaciones

Se pretende diseñar un amplificador de acoplamiento directocon transistores bipolares que cumpla las especi-ficaciones siguientes:

1. Ganancia de tensión:G ≥ 15V/V.

2. Ancho de banda:desdefL ≤ 100Hz hastafH ≥ 100 kHz.

3. Resistencia de entrada> 100 kΩ.

4. Resistencia de salida< 100Ω.

5. Margen dinámico de salida:∆v0 ≥ 1Vpp.

6. Nivel medio de salida:Cero voltios para entrada de nivel medio nulo.

7. Alimentación: mediante fuente de tensión de±15V

3.3. Primera fase del diseño

Como necesitamos un amplificador con alta resistencia de entrada, baja resistencia de salida y relativamentebaja ganancia con gran ancho de banda, usaremos un amplificador realimentado serie-paralelo. La Figura 3.1muestra un esquema del amplificador.

Si la ganancia de bucle es grande, la ganancia del amplificador realimentado viene dada por

AF =v0vi

≈1

B≥ 15,

15


−

+viv0A

R2

R1

Figura 3.1: Esquema del amplificador

donde

B =R1

R1 +R2

.

Para ello,T = AB ≥ 10 =⇒ A ≥ 150.

La resistencia de entrada del amplificador viene dada por

Rif = Rin (1 + T ) =⇒ Rin ≈ 10 kΩ,

dondeRin es la resistencia de entrada del amplificador sin realimentar. De forma análoga, la resistencia de salidadel amplificador realimentado será

Rof =Rout

1 + T=⇒ Rout ≈ 1 kΩ,

dondeRout es la resistencia de salida del amplificador sin realimentar.Como no es fácil conseguir una etapa amplificadora que tenga estas características, diseñaremos un amplifica-

dor básico de tres etapas, tal como se muestra en la Figura 3.2.

−

+viv0A1

R1

R2

A2 A3

Figura 3.2: Esquema de bloques del amplificador

De este análisis sacamos las conclusiones siguientes:

La resistencia de entrada de la primera etapa debe ser alta, lo que unido a la realimentación serie a laentrada producirá muy alta resistencia de entrada del amplificador. Un amplificador diferencial puede ser laetapa apropiada porque puede dar ganancia y una resistenciade entrada relativamente alta. Además, permiterealizar de forma sencilla la comparación de la tensión de entrada con la tensión realimentada.


La etapa intermedia se usa para aportar la ganancia necesaria para obtener una ganancia de bucle grande ycumplir con las especificaciones. Una etapa emisor común puede ser apropiada.

Para la etapa de salida usaremos un seguidor: tiene baja resistencia de salida yA3 ≈ 1.

3.4. Segunda fase del diseño

En esta fase se diseñan las etapas básicas del amplificador deacuerdo con las conclusiones de la fase anterior.Debemos usar modelos sencillos de los dispositivos activosen esta fase que nos permitan ver los aspectos clavesdel diseño. Por ello, debemos diseñar para obtener las características pedidas con cierta holgura.

Primera etapa

La Figura 3.3 muestra una configuración posible.

+−

+VCC

RC

RA

RBREE

vi

v0

RR

−VCC

Q1 Q2

Q3

Figura 3.3: Etapa de entrada.

La resistencia de entrada depende de la corriente de colector del transistorQ3 y de la resistenciaR. Estosparámetros junto a la resistencia de entrada de la segunda etapaRi2 permiten ajustar la ganancia del diferencial.

A1 =RC‖Ri2

re1 + re2 + 2R

COMENTARIOS Y SUGERENCIAS PARA EL LABORATORIO

1. Las resistencias de emisorR reducen la ganancia del diferencial y aumentan su resistencia de entrada y sumargen dinámico. Mida la gananciav0/vi del circuito. ¿Para qué margen de tensiones de entrada está laseñal de salida libre de distorsión? Use una señal triangular para verlo más fácilmente.

2. La fuente de corriente reduce considerablemente la ganancia en modo común. No obstante, en este diseñono es crítico tener un CMRR alto, por lo que se podría sustituir por una resistencia. ¿De qué valor?

Segunda etapa y etapa de salida

La Figura 3.4 muestra una etapa emisor común en serie con un seguidor. Se usa un transistor PNP en el emisorcomún porque si el nivel medio de entrada del diferencial es cero, su salida tendrá un nivel medio positivo. Esta


etapa permite bajar ese nivel medio hasta cerca de cero voltios. La última etapa y la realimentación negativa seencargarán de dejarlo en cero voltios a la salida (si el nivelmedio de entrada es cero).

Suponiendo que la resistencia de entrada de la etapa de salida es muy alta, la ganancia de esta etapa viene dadapor

A2 = −R3

RE1

.

Esta ganancia se ajusta para queA = A1 A2 ≥ 200. Nótese que las resistenciasRE1, RE2 y R3 son importantespara fijar el punto de trabajo del transistorQ4. La resistencia de salida del amplificador sin realimentar viene dadapor

Ro3 ≈ (R3

β+ re5)‖R4 ≈

R3

β+ re5 ≈ 1 kΩ.

R4 sirve fundamentalmente para limitar la corriente de la etapa de salida. Además, debemos garantizar que estasetapas puedan suministrar una excursión de señal de±1V a la salida.

Q4

RE1

RE2

R3

R4

+VCC

−VCC

C

Q5

Figura 3.4: Segunda etapa y etapa de salida.

3.5. Medidas y Documentación. Informe # 2

Se deben realizar las medidas necesarias para comprobar quese cumplen las especificaciones. Debe compro-barse que se obtienen los valores esperados. Si hubiese discrepancias deberá darse una explicación razonada.

Cada diseño deberá estar acompañado de un breve documento que contenga los puntos siguientes:

1. Especificaciones pedidas.

2. Esquema de bloques.

3. Esquema final.

4. Datos de la simulación usando LTspice.

5. Resultados experimentales.

Laboratorio 4

Realimentación positiva

4.1. Objetivos

La realimentación positiva se usa cuando queremos que un circuito cambie de estado rápidamente. Esta ca-racterística es importante en algunas aplicaciones no lineales de los circuitos electrónicos. En estos ejerciciosestudiaremos algunas configuraciones típicas.

4.2. Comparadores

El circuito de la figura es un comparador sencillo. Aplique una señal senoidal. ¿Por qué la señal de salida no esperfectamente cuadrada? ¿Tiene elslew rate del operacional algo que ver con esto? ¿Para qué sirve la resistenciade 10kΩ?

−

+

10 kin

out

Pruebe ahora el circuito siguiente. Se trata de un comparador con histéresis. Repita el procedimiento anteriory explique las diferencias.

−

+

100 k

10 k

in

out

19


4.3. Oscilador de relajación: astable

El circuito de la figura es el del apartado anterior al que se leha añadido realimentación negativa. El circuitoes inestable porque la realimentación global es positiva (¿por qué?). Explique las formas de onda a la salida y enlos terminales inversor y no inversor del operacional. Determine la frecuencia de oscilación.

−

+

100 k

100 k

0.01µF

10 k

out

4.4. Oscilador senoidal: Puente de Wien

−

+

0.01µF

0.01µF

10 k

10 k

out

R1

R2

1. Este circuito genera una señal senoidal (a menos que la ganancia del amplificador sea muy grande). ¿Porqué? Para contestar a esta pregunta calcule la respuesta en frecuencia de la red de realimentación positiva.Ajuste la ganancia del amplificador hasta que el circuito se ponga a oscilar. Use un potenciómetro enR1.

2. Observe la onda a la salida del circuito y a la entrada del amplificador. ¿Qué relación hay entre sus amplitudesy fases? ¿Es lo esperado?

3. Desconecte la realimentación en el terminal de salida. Aplique una señal senoidal y compruebe que única-mente a una frecuencia la señal de salida es de igual amplitudy fase que la señal de entrada. ¿Qué frecuenciaes ésta?

4. ¿Qué amplitud tiene la señal de salida? ¿Por qué?


4.5. Diseño de un oscilador senoidal

Diseñe un oscilador senoidal usando un amplificador operacional y la red de la figura. Para ello, calcule lafunción de transferencia de esta red. ¿A qué frecuencia oscilará?

R

RC

C

4.6. Oscilaciones no deseadas

+15V

+5V

out

1 k

Conecte el transistor del circuito seguidor de la figura a la fuente de alimentación de15V por medio de uncable largo (medio metro o más). Mire con el osciloscopio la tensión en el emisor. ¿Se observan oscilaciones? ¿Porqué? Si hay oscilaciones debe haber algún lazo de realimentación. Un circuito equivalente del circuito anterior semuestra en la figura siguiente.

+15V

+5V

1 k

Este circuito tiene en cuenta capacidades e inductancias parásitas que pueden producir realimentación positivaa alguna frecuencia. Explique el origen de estos elementos parásitos e identifique la red de realimentación. ¿Espositiva?

Si queremos eliminar las oscilaciones debemos seguir uno delos dos métodos siguientes:


Compensar el circuito, es decir, reducir la ganancia de bucle a la frecuencia de oscilación. Como la gananciade bucle esT = AB, debemos reducirA, B o ambas. Una forma sencilla de reducirA es añadiendo unaresistencia en la base del transistor. ¿Por qué se reduceA? Inténtelo con una resistencia de680Ω. ¿Funciona?

Eliminar la realimentación . Si conectamos un condensador entre el colector del transistor y tierra cancela-mos la realimentación. ¿Por qué? Pruébelo usando un condensador de0.1µF.

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