lab 9 electronica analoga

Universidad Nacional de Colombia, Informe de Laboratorio Electrónica Análoga I, Junio de 2014

Resumen — El transistor BJT, a pesar de haber sido remplazado por el transistor de efecto de campo aun sigue teniendo gran variedad de aplicaciones, entre ellas la amplificación de tensión . Para entender y corroborar de manera práctica las aplicaciones de operación del transistor BJT en la zona activa, es necesario estudiar las configuraciones básicas que permiten al transistor comportarse como amplificador, de esta manera, es de gran importancia identificar los parámetros que definen a cada una de las configuraciones como lo son la impedancia de entrada, la impedancia de salida y la ganancia de voltaje y así poder diseñar y poner en práctica de manera exitosa el uso de este transistor.

Abstract — The BJT transistor, despite having been replaced by the field effect transistor still having great variety of applications, including voltage amplification. To corroborate, understand and practice such applications BJT transistor operating in the active zone, it is necessary to study the basic configurations that allow the transistor to behave as an amplifier, thus, is of great importance to identify the parameters defining each of settings such as input impedance, output impedance and voltage gain and thus be able to design and implement successfully the use of this transistor.

Key words — BJT amplification, Common Emitter, Common Base, Common Colector, Impedance adapter.

I. INTRODUCCIÓN

A lo largo de la historia de la electrónica y principalmente en relación con los transistores una de las más importantes aplicaciones es amplificar señales eléctricas variables. Para esto existen diferente configuraciones. La amplificación de señal es sumamente útil en cuanto a aplicaciones prácticas se refiere, dado que al someter una tensión o una corriente, es posible optimizarla eficazmente y utilizarla para una labor específica. Adicionalmente, para lograr dicha amplificación existen diferentes configuraciones (emisor común, base común, colector común) para disponer el BJT según lo requerido, ganancia de tensión, de corriente o como acoplador de impedancias. Teóricamente, es posible realizar una serie de análisis en pequeña y gran señal para poder determinar y predecir la magnitud de los valores previamente mencionados. En primera instancia, se estudia únicamente la componente continua para poder averiguar el punto de operación, para luego determinar la transconductancia, la resistencia Early y la resistencia propia del modelo equivalente a utilizar en el análisis en alterna (T o π) y finalmente realizar dicho análisis empleando el equivalente para dar cuenta de las ganancias e impedancias del circuito amplificador.

II. MARCO TEÓRICO

a. Circuitos Amplificadores con transistores bipolares

Una vez se halle correctamente polarizado el transistor BJT, se logra manipular varias configuraciones de circuitos que nos acceden a aumentar señales eléctricas a través de transistores bipolares. La ampliación de señal es una de las varias aplicaciones que tiene el transistor BJT y a su vez es una de las más útiles, de acuerdo a las necesidades de impedancias de entrada y de salida, y de ganancia de tensión y corriente, se seleccionara el amplificador que principalmente se acomode a los requerimientos, Las primordiales configuraciones son:

1) Emisor Común:

Un amplificador emisor común es uno de los tres amplificadores básicos de una etapa con transistores de unión bipolar, habitualmente utilizado como un amplificador de voltaje. En este circuito el terminal de base del transistor ofrece como la entrada, el colector es la salida, y el emisor es común a ambos

Fig. 1. Circuito de Polarización con Divisor de Tensión o de Auto polarización

El circuito de polarización manipulado para esta configuraciones el de la Figura 1. Su estructura general se enseña en la Figura 2.

Informe de Laboratorio 10 – Transistor BJT Amplificación de pequeña señal.

Marco Hernández, Manuel Rojas, Carlos Alberto Pérez Cód.261821, Cód. Cód.223229

Bogotá, Colombia

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Fig. 2. Configuración Emisor Común

Las ecuaciones que nos aprueben el análisis del punto de trabajo del transistor son las siguientes.

IC=V BB−V BE

Rnβ

+REVCE = VCC −¿ IC¿ (RC + RE)

Donde:

Rg=Rg1+RE2∧RB=R1∥R2

V CE=V CC−IC∗(RC+RE)

La presencia de la señal VS, en el circuito de entrada no tiene por qué aturdir el estado de polarización, por este motivo es preciso ubicar un condensador (C1) en la entrada. Dado a la presencia de la señal variable en el terminal emisor provoca también una corriente variable (ie), superpuesta a la corriente IE ocasionada por la polarización en continua. La corriente ie aparecerá establecida por la ecuación vi = r _ ie, en el cual r es la resistencia dinámica de entrada del transistor para esta configuración. La señal de corriente ie origina a su vez en la unión de colector una corriente variable ic, superpuesta a la corriente continua de colector Ic. Esta señal de corriente ic transita por el circuito de salida del amplificador y da parte a una desplome de voltaje en la resistencia RL, que esta relatada por la ecuación vo = ic _ RL. Si RL es bastantemente grande, la señal de salida resulta amplificada en relación a la señal de entrada, y al mismo tiempo se transformara en fase con ella [4]. El modelo similar que nos permite analizar el comportamiento del amplificador más simplemente se muestra en la Figura 3.

A través de este circuito podemos conseguir el ingreso de tensión y de corriente, y las impedancias de entrada y de salida:

Av=β (RC∥RL)rπ+ (β+1 ) RE1

Fig. 3. Modelo Equivalente del Amplificador Emisor Común [3]

Av=β (Rv∗RvRc+RL

)

rπ+ (β+1 ) RE1+RB

R1=RB∥[rπ+(β+1 )RE1]

RO=RC

Dado el caso exclusivo en que RE1 es cero, podríamos reducir las formulas y obtenemos que:

Av=gm (RC ∥RL )

R1=RB∥ r π

Conjuntamente dado el tema de no desacoplar la resistencia RE2 (es decir excluir el condensador CE), obtenemos un circuito realimentado determinado por:

Av=(RC ∥RL)RE

R1≈RB

Este amplificador es manipulado en los circuitos de radiofrecuencia, por ejemplo, para ampliar señales frágiles recibidas por una antena Asimismo son considerablemente manipulados en circuitos LNA (Low-noise amplifier)

2) Colector común

La señal se emplea a la base del transistor y se elimina por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta proporción se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es levemente menor a la unidad.

El colector común es una de las configuraciones básicas de amplificadores que manipula transistores BJT, y es usado como un adaptador de impedancias. Su distribución principal se muestra en la Figura 4.

La resistencia RC no es necesaria para la polarización del transistor ni para el buen trabajo del amplificador, así que

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podemos excluirla. Su modelo semejante para el estudio de señal es el que se muestra en la Figura 6.

Fig.4 colector común

Fig. 5. Configuración Colector Común

Fig. 6. Modelo Equivalente del Amplificador Colector Común

Al examinar este circuito podemos adquirir las consiguientes expresiones que concretan su conducta:

Av=gm∗REgm∗RE+1

Ai=β+¿1≈ β

Ri=RB∥¿ r π+(β+1 )(RE∥RL)¿≈ β∗RE

R0=RE∥ (r π+rg ∥RBβ+1

)

En sinopsis de esta proporción también llamado como seguidor de emisor muestra una elevada resistencia de entrada, una baja resistencia de salida, una ingreso de voltaje muy

acercada a la unidad, y una alta ganancia de corriente .Así que, esta conformemente adaptado para aplicaciones en las que una fuente de alta resistencia se conecte a una carga de baja resistencia, conjuntamente su baja resistencia de salida lo hace útil tal la última etapa o la etapa de salida de un amplificador de una amplificador de diferentes fases que obtendría como ocupación la de darle al amplificador en cascada una baja resistencia de salida accediendo conectar cargas chicas y que trabajen correctamente [7]

3) Base Común:Base común es la última configuración básica de amplificadores de una sola etapa con transistores bipolares. Es utilizado normalmente a modo de un adaptador de impedancias o como amplificador de voltaje. En este circuito el terminal de emisor del transistor se utiliza como la entrada, el colector de la salida, y la base es común a ambos. Su configuración principal es la presentada por la Figura 7.

Fig. 7. Configuración Base Común

El modelo resultante que nos accede analizar este circuito se puede ejemplar en la Figura 8

Fig. 8. Modelo resultante del Amplificador Base Común

Las ecuaciones que detallan su conducta son las consecutivas:

Av=(gm∗r 0+1 )∗Rc

Rc+r0

≈ gm∗(Rc∥RL)

Ai=rπ+β∗r0

r π+(β+1 )∗r0

≈1

Ri=r0+β∗r 0

r0+r e+Rc∥RLβ+1

≈1gm

3


R0=Rc∥ [1+gm (rπ∥ rs ) ] r0+(r π )∥r s¿

Como lo podemos percibir este amplificador tiene una ganancia de corriente muy acercada a 1, y una resistencia de salida que depende primordialmente de RC. Debido a su muy baja resistencia de entrada, su aplicación primordial es la buffer de corriente, es decir que admite una corriente de señal de entrada a una baja resistencia de entrada, y traspasa una copia casi igual a una impedancia alta en el colector. La primacía principal de este circuito es su excelente respuesta a alta frecuencia [8].

III. PROCEDIMIENTO

Parte I. Emisor Común Se implemento el circuito en mostrado en la figura número 8. Conociendo que la corriente I c=20mA

Fig 8. Amplificador en configuración de emisor común.

Parte II. Base ComúnUtilizando un transistor BJT NPN en configuración de base común que garantice un punto de polarización estable con corriente I c=20mA . Se implementó entonces el circuito mostrado en la figura 9.

Fig 9. Amplificador en configuración base común.

Parte III. Acople de ImpedanciasLa configuración en colector común se caracteriza por una ganancia de tensión ligeramente menor que la unidad una

elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. Para esto se utilizó un transistor BJT para luego obtener los valores de entrada y de salida y luego compararlos con el análisis obtuvido en la configuración de emisor común.

Fig 9. Amplificador en configuración de colectorr común.

IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS.

PARTE I. EMISOR COMÚN

Se simuló la polarización de este circuito y se obtuvieron los resultados mostrados en la figura 10.

Figura 10. Simulación polarización emisor común.

Una vez comprobada la polarización del circuito, entonces se simuló la amplificación , de lo que resultó la figura 11.

Figura 11. Simulación amplificación emisor común.

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En el laboratorio, al hacer el montaje y ver el resultado en el osciloscopio resultó lo que se muestra en la figura 12.

Figura 12. Resultados osciloscopio emisor común

Para obtener las impedancias de entrada y de salida, y las ganancias de tensión y de corriente del amplificador se intento medir las corrientes y tensiones de entrada y de salida, sin embargo, al ser tan pequeñas (en especial las corrientes) no fueron perceptibles por los multímetros. Por esta razón las impedancias de entrada y de salida debieron ser medidas directamente con el ´óhmetro en el circuito apagando las fuentes de tensión, y la ganancia de corriente fue determinada indirectamente. Para obtener la ganancia de tensión se obtuvo que Vi=100 mV RMS, y Vo=2 V RMS , por lo tanto

Av=2V

100mV=20

VV

La ganancia de corriente se determinó midiendo la tensión V BEy haciendo una análisis de mallas asi,

Ai=gm∙V BEV BE

rπ∨¿RB

=32

Los resultados recopilados para este amplificador se encuentran en la tabla I.

TABLA I. RESULTADOS AMPLIFICADOR EMISOR COMÚN

Impedanciaentrada

Impedanciasalida

Gananciatensión

Ganancia corriente

190 Ω 10 kΩ 20 32 Los resultados en algunos casos fueron acordes a los esperados. La ganancia de tensión fue bastante menor a la esperada, y esto se debe a que las resistencias teóricas no fueron las mismas resistencias utilizadas en el laboratorio debido a que no eran de valores comerciales (no se consiguen en el mercado) además de otras alteraciones como las variaciones del beta y de la tensión de umbral debido al efecto térmico. La ganancia de corriente si fue muy similar ala esperada teniendo en cuenta que el β del transistor medido mediante el multímetro es muy similar. Las impedancias de entrada y de salida también son muy similares a las esperadas

aunque con unas pequeñas alteraciones. Podemos concluir entonces que los valores seleccionados y la implementación practica de la configuración de emisor común fueron los apropiados y que efectivamente es una configuración altamente efectiva y confiable para la amplificación de tensión y de corriente de una señal AC de pequeña señal. Sus impedancias de entrada y de salida son moderadamente altas, por lo que llega a ser una desventaja especialmente al conectar cargas de baja impedancia. También se es posible observar en simulación y en el laboratorio, como la señal de salida, además de ser amplificada esta desfasada en 180° con respecto a la señal de entrada, lo que corresponde a la ganancia negativa que resulta de los cálculos teóricos.

Parte II. Base ComúnSe simuló el circuito de la figura 13 para verificar la polarización, esta resultó exitosa, por lo cual se simuló la amplificación, de lo que resultó la figura 14.

Dicho montaje se llevo al laboratorio para obtener las formas de onda en el osciloscopio, los resultados se pueden apreciar en la figura 15.

Al medir las tensiones RMS de entrada y de salida del circuito, se obtuvo que Vi = 70,7 mV y Vo = 3.95 V, por lo tanto

Av=3.95V

70.7mV=56.43

Figura 13. Simulación polarización base común.

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Figura 14. Simulación amplificación base común.

Figura 15. Resultados osciloscopio base común

Como amplificador de corriente se tiene:

Ai=

V oZoV iZ i

=1

Los resultados recopilados para este amplificador se encuentran en la tabla II.

TABLA II. RESULTADOS AMPLIFICADOR BASE COMÚN

Impedanciaentrada

Impedanciasalida

Gananciatensión

Ganancia corriente

2.38 Ω 117 kΩ 56.43 1

Este circuito presento un fallo grave debido a que al tener una impedancia de entrada tan baja, el generador de señales quedaba casi en cortocircuito y al tensión se caía casi a la mitad. Por esta razón la ganancia de tensión fue mucho menor a la esperada. sin embargo la ganancia de corriente y las impedancias de entrada y de salida si son coherentes con los cálculos teóricos previos. Como se puede observar esta configuración también sirve como adaptador de impedancias, ya que presenta una baja impedancia de entrada, sin embargo esto puede ser considerado como una desventaja debido a que la resistencia interna de la señal de entrada también debería ser muy pequeña para que el amplificador funcione correctamente. Sin embargo también tiene la característica de

entregar la misma corriente que recibe y tiene una alta ganancia de tensión.Parte III. Acople de impedanciasSe empleó la misma polarización que para el de base común (figura 13), aunque para este, la simulación de amplificación resultó ser la mostrada en la figura 16.

Al medir las tensiones RMS de entrada y de salida del circuito, se obtuvo que Vi = 14.3 mV y Vo = 13.8 mV, por lo tanto

Av=13.8mV14.3mV

=0.965≈1

La ganancia de corriente se determinó indirectamente conociendo las tensiones e impedancias de entrada y de salida, entonces se obtuvo:

Figura 16. Simulación acople de impedancias (colector común)

En el osciloscopio durante la práctica de laboratorio resulto la señal mostrada en la figura 17.

Figura 17. Resultados osciloscopio acople de impedancias (colector común)

Ai=

V oZoV iZ i

=80

Los resultados recopilados para este amplificador se encuentran en la tabla III

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TABLA III. RESULTADOS ADAPTADOR DE IMPEDANCIAS

Impedanciaentrada

Impedanciasalida

Gananciatensión

Ganancia corriente

243 Ω 2.93 Ω 1 80

Las ganancias de este amplificador son coherentes con los cálculos teóricos realizados, debido a que esta configuración es un amplificador de corriente, pero no de tensión. Además podemos observar que tiene una impedancia de salida baja lo que lo convierte en un adaptador de impedancias, permitiendo conectar cargas de baja impedancia, obteniendo buenos resultados evitando perdidas en la señal de salida. Es conveniente usar esta configuración como la ultima etapa de un circuito amplificador en cascada, debido a que no altera la tensión de salida (ganancia de voltaje muy aproximada a la unidad) y además nos permite ajustar la impedancia de salida de acuerdo a la carga requerida.

V. PREGUNTAS SUGERIDAS

• ¿Qué puede concluir de las medidas obtenidas?Principalmente se puede concluir que a pesar de realizar cálculos teóricos lo mas precisos posibles y de intentar controlar algunos factores de error, tales como la independencia de los amplificadores del beta, los resultados obtenidos en el laboratorio siempre tendrán alteraciones, que en algunos casos (como en el amplificador de base COM ‘un) pueden ser bastante grandes y en un aspecto practico podrían no servir como lo queremos. Sin embargo como se pudo observar a lo largo de todas las prácticas, aunque las condiciones de trabajo de los circuitos no fueran perfectas ni precisas, los circuitos trabajaron correctamente y se pudo ver su utilidad práctica.

• Describa cada una de las configuraciones de amplificación, haciendo énfasis en sus ventajas, desventajas y posibles aplicaciones. La configuración de amplificador en emisor común tiene impedancia de entrada moderada y una impedancia de salida elevada lo cual puede ser considerado una desventaja. Además puede diseñarse para obtener una gran ganancia en voltaje, lo que permite obtener señales significativamente grandes a la salida del amplificador; y al mismo tiempo tiene una buena amplificación de corriente determinada y aproximada el factor del transistor, y por lo tanto menor la ganancia del voltaje. Cabe resaltar que la ganancia en voltaje se caracteriza por tener la señal de salida invertida (desfasada 180), pues los demás tipos de amplificadores no tienen esta cualidad.La configuración de amplificador en colector COM ‘un se emplea con el propósito de acoplar impedancias, ya que muestra una elevada resistencia de entrada, y una baja impedancia de salida, una ganancia de voltaje que es menor que la unidad pero muy cercana a esta, y una ganancia de corriente relativamente grande. Su baja resistencia de salida le permite funcionar como un amplificador regulador de voltaje y lo hace útil como la última etapa de de un amplificador en cascada en donde su propósito seria no producir mas ganancia de voltaje sino darle al amplificador una baja impedancia de

salida que permita conectar cargas de baja resistencia sin que existan perdidas.La configuración de amplificador en base común tiene una impedancia de entrada muy baja, una impedancia de salida moderada o alta que depende de las resistencia conectadas al colector, una ganancia de corriente muy cercana a la unidad; y una ganancia de voltaje que depende demasiado de la resistencia de la señal de entrada (debido a la baja impedancia de entrada). Sin embargo tiene la propiedad de funcionar correctamente para altas frecuencias, lo que no ocurre con las otras configuraciones de amplificadores. Una aplicación seria su uso en la fabricación de micrófonos dinámicos, pues se pueden adaptar fuentes de señal de muy baja impedancia de salida a este amplificador.

• ¿Que función cumplen los condensadores y sus respectivos valores en las diferentes configuraciones de amplificación?Los condensadores tiene la función de no dejar la pasar la señal DC que generan las fuentes continuas, pues estos actúan como circuito abierto para señales de este tipo y así poder tomar la señal de salida solo en componente AC, pues en esta actúan como corto circuito. Además sirven para desacoplar resistencias que pueden alterar las salidas y que solo son útiles en la polarización del transistor.

VI. CONCLUSIONES.

Para operar el transistor BJT como un amplificador lineal es necesario polarizarlo en la región activa y mantener la tensión BE en AC peqeuña, aproximadamente menor al voltaje térmico.

Para pequeñas señales el transistor BJT funciona como una fuente de corriente controlada por la tensión alterna de entrada.

Dependiendo de la configuración de amplificador utilizada, los parámetros característicos del circuito van a variar, y acomodando dichas configuraciones se pueden obtener diferentes ventajas de los BJT como por ejemplo el adaptador de impedancias que es útil al final de los circuitos de amplificación multi-etapas.

A comparación de los transistores MOSFET, los BJT presentan una mayor ganancia de voltaje, lo que los hace más eficaces al amplificar pequeñas señales. Estas ganancias son por lo general cercanas a cien.

Las impedancias de salida de los amplificadores BJT son considerablemente mas bajas que las de los transistores de efecto de campo configurados como amplificadores.

VII. BIBLIOGRAFÍA

[1]

Amplificadores contransistores bipolares de union. recuperado el 1 de diciembre de 2012 del sitio web:

7


http// www.geocities.ws. [2] Amplificador Emisor Común. Recuperado el 8 de Junio de 2012 del sitio

web: http://www.unicrom.com/Tut emisor com.asp.pdf[3] Tema 4: Amplificadores de pequeña señal-Amplificadores monoetapacon transistores bipolares. Recuperado el 9 de Junio de 2012 del sitioweb: https://sites.google.com/a/goumh.umh.es/circuitos-electronicosanalogicos/` transparencias/tema-4#TOC-Amplificadores-monoetapa-contransistores-

bipolares[4] Abella, J.M. y Mart´ınez-Duart, J.M.(2009)CAPITULO IX - APLICACIONES

DE LOS TRANSISTORES COMO DISPOSITIVOS AMPLIFICADORES.

http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria albella/electronica/9%20Circuitos%20Amplificadores.pdf

[5] Pavlic, Theodore P. (2007)Transistor Basics-Lab 1: The Bipolar (Junction)Transistor . Recuperado el 28 de Noviembre de 2012 del sitio web:http://www.tedpavlic.com/teaching/osu/ece327/lab1 bjt/lab1 bjt transistor basics.pdf

[6] 1.2.6 Amplicador en colector común . Recuperadoel 288 de Noviembre de 2012 del sitio web:http://iniciativapopular.udg.mx/muralmta/mrojas/cursos/elect/apuntesdefinitivos/UNIDAD1/1.2.6.pdf

[7] 1.2.4 Amplificador en base común . Recuperadoel 28 de Noviembre de 2012 del sitioweb:http://iniciativapopular.udg.mx/muralmta/mrojas/cursos/elect/apuntesdefinitivos/UNIDAD1/1.2.4.pdf1765772

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