169501828 Circuito Amplificador Con Acoplamiento Capacitivo PDF

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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. Se llama amplificador multietapa a los circuitos o sistemas que tienen múltiples transistores y además pueden ser conectadas entre sí para mejorar sus

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

3

 

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 7 Vpk 20 Hz 0°

2N3904 CE RB2 RE2

Datos de Diseño:

1kΩ RL

4

Vin=3.5∗sin ( wt )

Vo=3.5∗sin ( wt ) RL =1 kΩ

Transistor NPN 2 N 3904 β min=30 ; β max =300

PCEmax =625 [ mW ] I Cmax =200 mA

V CEmax =40 [V ] f min=20 Hz ; f max=20 KHz

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.

−¿ ≤ IE∗(ℜ∨¿ RL ) Vo p¿ VCE ≥ 6 [ V ] + ¿+Vsat VCE ≥ Vo p ¿

Analizando la primera condición tenemos que: VE RE Vop−≤ I E∗¿

R E∨|R L ) ; I E =

R E∨|R L ) VE Vop ≤ ∗¿ RE Despejando VE resulta que: R R E ∨|R L ) ¿ R R E ∨|R L ) ¿ (¿ ¿ E∗V op ) ¿ ¿ (¿ ¿ E∗V op ) ¿ ¿ De esto podemos determinar que podemos tener casos que son: 1ERA CONDICION

RE≪ RL Al menos 10 veces menor

R 1K R E= L = =100 [ Ω] 10 10

2DA CONDICION

RE≫ RL

3ERA CONDICION

R E= R L

Al menos 10 veces mayor

R E=Rl∗10=1 k∗10

R E=1[ KΩ] El voltaje del emisor nos quedará:

R E=10[ KΩ]

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

1000 Ω∗3.5 (1000 Ω∨¿ 1000 Ω) V E ≥ 14 [ V ] VE≥

6

100 Ω∗3.5 (100 Ω∨¿ 1000 Ω) V E ≥ 3.85 [V ]

10000 Ω∗3.5 (10000 Ω∨¿ 1000 Ω) V E ≥ 38.5 [V ]

VE≥

VE≥

Aplicando el facor de tolerancia

Aplicando el facor de tolerancia

V E =3.85∗1.2=4.62 [V ] I E=

V E 4.62 = R E 100

I E =46.2[ mA]

V E =38.5∗1.2=46.2 [V ] I E=

V E 46.2 = R E 10000

Aplicando el facor de tolerancia V E =7∗1.2=8.4 [ V ] I E=

VE RE

=

8.4 1000

I E =8.4[ mA]

I E =4.62[ mA]

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: V E =8.4 [V ] ;R E =1 K R L =1 K Ahora sabemos que: V B =V BE +V E=0.7+8.4 V B =9.1[ V ] Luego asumimos que I B →0 , de modo que: IE = IC =8.4 mA Debemos considerar que como el transistor está compuesto por diodos, este se afecta por los cambios de temperatura, y existirá una variación de voltaje ∆ V BE , de modo que: V B−V BE ± ∆ V BE ;V E =I B −V BE RE V E ± ∆ V BE I E= RE I E=

7

Para que las variaciones de voltaje no afecten, el valor de este debe ser despreciable respecto a VE, de modo que: V E ≫ ∆ V BE , esto quiere decie que debe ser de almenos 10 veces mas

V Emin =1 [ V ] , este valor lo escogemos para que haya estabilidad termica . Ahora, consideramos la segunda y tercera condición para que no haya recorte V CE ≥ 6[ V ] inp+ ¿+V sat ;V sat =4 [V ] V CE ≥ V ¿

V CE ≥ 3.5+4 ;V CE ≥7.5 [ V ] Como se observa si estamos cumpliendo las 2 condiciones para que no haya recorte. Aplicando el factor de tolerancia tenemos que: V CE =7.5∗1.2=9[V ]

DETERMINACION DE RB1 Y RB2 I 2 ≫ I Bmax

I Bmax=

Ic 8.4 mA =280 [ u A ] = 30 ϐ min

I 2 ≫2 80 [uA ] Como la corriente debe ser al menos 10 veces mayor, esta será igual a: I 2 =2800[ uA] RB 2 =

V B V E +V BE 8.4+ 0.7 = = −6 I2 I2 2800∗10

{

RB 2 =3250Ω 3.3 k Ω , valor comercial 2.7 k Ω , valor comercial 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:

8

RB 2 =3.3 k Ω

Para RB1 tenemos que: RB 1 =

V cc −V B I1

Para esto debemos determinar Vcc V CC =V CE +V E=9+8.4 V CC =17.4 ≃ Usaremos 18[ V ]

RB 1 =

Vcc−V B 18−9.1 = I1 280∗10−6 +2800∗10−6

{

RB 1 =2564.935Ω 2.7 k Ω, valor comercial 2.2 k Ω, valor comercial En este caso escogemos la de 2.7k ya que es más cercana al valor calculado. RB 1=2.7 kΩ

CÁLCULO DE LOS CAPACITORES QUE USAREMOS Capacitor en la base CB

XCB Vin R

1 Vpk 1kHz 0°

X CB =

1 2 πFC

X CBmax ≪ Zin 1 ≪ Zin 2 π f min C B

9

CB≫

1 2 π f min∗Z ¿

∫¿

Zin=Rth ∨¿ Z ¿ Rth=

(

1 1 + 2700 3300

−1

) =1485[ Ω]

∫ ¿=( hfe+1 ) ( ℜ+ R E∨¿ RL ) Z¿

∫ ¿=15595.952 26 mV +1000∨¿ 1000 ) ;Z ¿ ∫ ¿=( 30+ 1 ) ( 8.4 mA Z¿ ZinT =15.596 k Ω

Zin =1.485 k ∨¿ 15.596 k

(

Z ¿=

1 1 + 2353.043478 15835.833 CB≫

−1

) =2048.637 Ω

1 2 π ( 20 ) ( 1355.896)

C B ≫ 5.869∗10−6 F C B ≫ ≫3.8844 u F , comotiene que ser al menos 10 veces mayor : −5

C B=5.869∗10 F=58.869uF , 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 X CE ≪ R E

1 ≪ RE 2 π f min C E

10

CE ≫

(2 π f 1 R ) min

CE ≫

E

1 ( 2 π∗20∗1000 ) −6

C E ≫7.9577471545947669∗10 F

Tiene que ser almenos 10 veces mayor −6

C E=7.9577471545947669∗10 =79.58uF

Un valor comercial es 100 uF

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

11 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.

SEGUNDA ETAPA DEL DISEÑO

12

CIRCUITO AMPLIFICADOR EMISOR - COMUN El circuito amplificador total es el siguiente7

Vcc 18 V

RB1A

RC CC Q2

C2

2200µF

Q1

2N3904

V2 0.5 Vpk 20 Hz 0°

RB1B 2.7kΩ

2N3904

RE1

CE

RB2A RE2

CE1

RB2B 3.3kΩ

3300µF RE 1kΩ

RL 1kΩ

Como vemos la salida de voltaje del circuito emisor común, es la entrada de voltaje del circuito colector común. Podemos decir que la resistencia de carga del circuito emisor común es la impedancia de entrada al circuito colector común. Necesitamos determinar la impedancia de entrada2 V TH 2−0.7 I B 2= RTH 2 +R E (β+1) I B 2=

13.75−0.7 68.75 + 80∗( 30+1 )

I B 2=5,12[ mA ]

Impedancia de entrada del transistor 2 ZinT 2= ¿

Vin 2 = hie∗ib2+ie 2∗(ℜ∨¿ RL ) i¿ 2 ib 2

hie∗ib2 + ( hfe+1 )∗ib 2∗(ℜ∨¿ RL ) ib2

¿ ( hfe+1 )∗ϒ e 2+ ( hfe+ 1)∗(ℜ∨ ¿ RL )

13

¿ ( hfe+1 )∗( ϒ e 2 +(ℜ∨ ¿ RL )) Reemplazando los datos tenemos que:

(

ZinT =(30 + 1 )∗ 0,163810483871+

(

1 1 + 80 8

)) −1

ZinT 1=230,53 [Ω]

Impedancia de entrada2 Zin2=( Rth∨¿ ZinT )

(

Zin2=

1 1 + 68.75 230,53

−1

)

Zin2=52,96[ Ω]

Por tanto para el análisis el circuito equivalente será: RB1A

RC CC Q2

C2

2N3904

V2 0.5 Vpk 20 Hz 0°

Zin2 1355.9084Ω

RE1 RB2A RE2

Datos de diseño:  

2200µF

Vin=0,23∗sin (wt ) Vo=1∗sin ( wt )

CE1

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         

AV =4,35 Transistor NPN 1N3904 I Cmax =200 [mA ] ϐ =30 a 300 V CEmax =40 [V ] Pmax =625 [mW ] R L=Ziin2=52,96 f min=20 [ Hz ] f max=20 [ kHz ] Vcc=20[ V ]

Diagrama de Voltajes

VCC

IE.RE1 O’

IE.RE2

Del grafico podemos observar las condiciones para que no haya recorte.

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inp−¿ ≤ I E∗R E 1 V¿ op−¿ inp+ ¿+V sat +V ¿ V CE ≥ V ¿ V CE ≥ 6 V op+¿≤ I C∗( R C∨¿ R L ) V¿

I. II. III. IV.

1.1Determinación de RC Para determinar RL tomamos en cuenta la cuarta condición para que no haya recorte, es decir: op+¿≤ I C∗( R C∨¿ R L ) V¿ V sabemos queIc= RC , reemplazamos en la formulaanterior y obtenemos. RC V op V RC ≥ Rc (RC∨¿ R L ) RC ∗V V RC ≥ (R C ∨¿ R L ) op

Como podemos observar en base a esta ecuación se pueden dar 3 casos en el que la resistencia RC puede estar. RC =R L , de donde nos queda que R C =1.356 k k Ω RC ≪ R L , R C debe ser almenos10 veces menor , es decir R C=135.6 Ω RC ≫ R L , R C debe ser almenos10 veces mayor , es decir R C=13.56 k Ω

a) b) c)

Ahora procedemos a calcular los valores de voltajes y corrientes para cada uno de los posibles valores de RL RC =52,96 Ω

a.

V RC ≥ V RC ≥

(

RC ∗V (R C ∨¿ R L ) op

52,96 1 1 + 52,96 52,96

V RC ≥2 [V ]

)

−1

∗1

16

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, V RC =2.4[ V ]

Para la corriente tenemos que: IC =

V RC 2.4 = Rc 52,96

I c =45,31[mA ]

Esta opción si es aceptable porque si esta dentro del rango de funcionamiento del transistor, es decir I C < I Cmax b.

RC =135.6 Ω

V RC ≥

RC ∗V (R C ∨¿ R L ) op

V RC ≥

(

5,296 1 1 + 5,296 52,96

)

−1

∗1

V RC ≥1,1 [V ] Multiplicando por el factor de corrección tenemos que: V RC =1.32[V ] Para la corriente tenemos que: IC =

V RC 1,32 = Rc 5,296

I c =249,24[ mA ]

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

RC =13.56 k Ω

17

V RC ≥ V RC ≥

RC ∗V (R C ∨¿ R L ) op

(

529,6 1 1 + 529,6 52,96

−1

)

∗3.5

V RC ≥11 [ V ] Multiplicando por el factor de corrección tenemos que: V RC =13,2[V ] Para la corriente tenemos que: V 13,2 I C = RC = Rc 529,6 I c =24,92[mA ] 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:

{

8.4 =5.6 mA Rc=1.356 k Ω 1.5 k V =8.4 V Ic= 1500 1.2 k RC

Rc=52,96 ΩV RC =2.4 V Ic=45,31 mA 1.2DETERMINACION DE RE1 Y RE2

Asumimos que I B →0 , de modo que: IE = IC =45,31 mA Debemos considerar que como el transistor está compuesto por diodos, este se afecta por los cambios de temperatura, y existirá una variación de voltaje ∆ V BE , de modo que: V B−V BE ± ∆ V BE ;V E =I B −V BE I E= RE V ± ∆ V BE I E= E RE Para que las variaciones de voltaje no afecten, el valor de este debe ser despreciable respecto a VE, de modo que:

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V E ≫ ∆ V BE , esto quiere decie que debe ser de almenos 10 veces mas

V Emin =1 [ V ] , este valor lo escogemos para que haya estabilidad termica . Ahora, consideramos la primera condición para que no haya recorte inp−¿ ; I E =

VE RE

I E∗R E ≥ V ¿ V inp−¿ RE 1 VE ≥¿ RE inp−

¿∗R E , estaes la segunda condicion para que no haya recorte RE1 VE≥V¿

Para que esto se cumpla tenemos que. RE > 1;V E ≥V inp ;que V Emin ≥ 1 [V ] RE1

De estas opciones escogemos V E =2 V Con estos datos determinamos las resistencias que necesitamos. R E=

VE 2 = =44,14 Ω I E 45,31∗10−3

AV =

R E 1=

R C ∨¿ R L ϒ e + RE 1

; ϒ e=

26 mV IE

R C∨¿ R L −ϒ e AV

(

1 1 + 52,96 52,96 R E 1= 4,35

)

−1

−

26∗10−3 45,31∗10−3

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{

R E 1=5,51Ω 5,6 Ω , valor comercial 5,1 Ω , valor comercial 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. R E 1=5,6 Ω R E 2=R E− R E 1=44,14−5,6

{

R E 2=38,54 Ω 47 Ω, valor comercial 39 Ω, valor comercial Escogemos R E 2=39 Ω

Verificaremos que se cumpla la condición anterior. Vinp ≤ I E R E 1 0.23 ≤ 45,31 mA∗5,6

0,23 ≤ 0.253 ↔ si cumple VE≥

2≥

R E∗V inp RE1

44,14∗0.23 5,6

2≥ 1.81 ↔ si cumple

1.3DETERMINACION DE RB1 Y RB2 I 2 ≫ I Bmax

I Bmax=

Ic 45,31 mA =1,51 [m A ] = ϐ min 30

I 2 ≫1,51 [ m A ] Como la corriente debe ser al menos 10 veces mayor, esta será igual a:

20

I 2 =15,1[ mA ]

RB 2 =

V B V E +V BE 2+0.7 = = −3 I2 I2 15,1∗10

{

RB 2 =178,81Ω 150Ω, valor comercial 180Ω, valor comercial Para que el circuito no dependa de las características del transistor, tenemos que escoger el menor valor, de modo que: RB 2 =150Ω

Para RB1 tenemos que: RB 1 =

V cc −V B I1

Sabemos que Vcc tiene que ser igual a 20 [V ] , por lo calculado en la primera parte 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. Vcc=V Rc +V CE +V E Sabemos que una de las condiciones para que sea amplificador es: V CE ≥ 6 [ V ] Verificamos que se cumpla este valor V CE =20− 2,4− 2=15.6[ V ] Como vemos si cumple con esta condición. Ahora la otra condición es: op−¿ inp+ ¿+V sat +V ¿ V CE ≥ V ¿ De igual forma verificamos que también se cumpla esta condición V CE ≥ 0.23+2+1 ;V CE ≥ 3,23 [V ] Como vemos si cumple. De modo que nos queda que VCE es igual a: V CE =15,6[V ]

21

Calculamos RB1 RB 1 =

Vcc−V B 20−2.7 = I1 1,51 [ m A ]+ 15,1 [ m A ]

{

RB 1 =1041Ω 1,2k Ω , valor comercial 1k Ω, valor comercial Escogemos la menor de modo que haya más corriente: RB 1 =1[ k Ω]

CÁLCULO DE LOS CAPACITORES QUE USAREMOS3 Capacitor den la base CB

XCB Vin R

1 Vpk 1kHz 0°

X CB =

1 2 πFC

X CBmax ≪ Zin 1 ≪ Zin 2 π f min C B CB≫

1 2 π f min∗Z ¿

∫¿ Zin=Rt h∨¿ Z¿

∫ ¿=( h fe+1) ( ℜ+R E 1 ) Z¿

22

26 mV +5,6) ∫ ¿=( 30+ 1 )( 45,31 mA Z¿ ZinT =191,39 Ω

Zin =1 k ||150||191,39 Ω Z ¿ =77,57

CB≫

1 2 π ( 20 ) (77,57...