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Se denomina amplificador multietapa al acople de dos o más configuraciones de transistores, esto con la finalidad de obtener un incremento mayor en la señal de salida (comparando con la configuración de un solo transistor); este acoplamiento se realiza mediante el uso de condensadores permitiendo pa...

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DISEÑO DE AMPLIFICADOR MULTIETAPA CON BJT Vanessa Perez Hernandez 1161349 Julian Mesa Moncada 1161294

Resumen--Este informe consiste en conocer el diseño estructurado de un amplificador con transistores BJT (Bipolar Junction Transfer), usando conocimientos básicos de electrónica, para conseguir este objetivo se comenzara desde análisis matemático pasando por simulación en el software Orcad hasta su montaje físico en ProtoBoard. Se simularon y se probaron las diferentes etapas del diseño para poder comparar los resultados obtenidos en cada caso.

PALABRAS CLAVE. BJT (Bipolar Junction Transfer), Transistor emisor común, transistor colector común, Orcad, ProtoBoard, Transistor 2N2222

I. INTRODUCCIÓN. En siguiente trabajo recoge el análisis e implementación de un modelo de amplificador multietapa utilizando transistores BJT (Bipolar Junction Transfer), su finalidad principal es hacer los procesos necesarios para su elaboración.

III. MARCO TEORICO. A. Amplificador. Se denomina amplificador multietapa al acople de dos o más configuraciones de transistores, esto con la finalidad de obtener un incremento mayor en la señal de salida (comparando con la configuración de un solo transistor); este acoplamiento se realiza mediante el uso de condensadores permitiendo parámetros en su análisis en DC o AC; la ganancia total de esta configuración es el resultado de la multiplicación de la ganancia individual de cada etapa. Entre las configuraciones usadas en este texto se encuentra: está emisor común (inversor) y colector común (emisor seguidor); al referirse al producto de cada etapa se incluye también la inversión de cada señal de salida, por lo tanto al aplicar un prototipo con el acople de dos inversores, se obtendrá una señal afectada en su amplitud por un factor AV=AV 1*AV2 pero sin desfase alguno.

Para este diseño se utilizaran procedimientos básicos usados en electrónica; con esto se pretende poner en práctica los conocimientos adquiridos y demostrarlos mediante cálculos analíticos, usando el software respectivo y finalmente la implementación física. El desarrollo de este tipo de proyectos permite adquirir competencias necesarias en el área de ingeniería electrónica El objetivo de este laboratorio es diseñar e implementar un amplificador con jfet de unión pn, caracterizando el transistor y por medio de procedimientos matemáticos y la simulación en ORCAD, gracias a esto se pudo desarrollar un circuito jfet el cual está conformado por dos etapas. Confiando en obtener los resultados precisos y cercanos entre sí, se determinará la ganancia de voltaje total a través de algunas especificaciones predeterminadas y asimismo, demostrar los conocimientos y experiencias adquiridas a lo largo del curso de Electrónica II..

II. OBJETIVOS. A. Objetivo General. Conocer conceptos fundamentales sobre el transistor BJT que se usa en un circuito amplificador, sus métodos de aplicación y conexiones que son utilizados realizando una tarea de investigación y la construcción del circuito en un ProtoBoard para comprender de mejor manera la materia que se imparte en las aulas de clase y poder tener una formación profesional adecuada.

B. Objetivos Específicos. • Describir los elementos que conforman el amplificador y sus respectivas conexiones. • Montar el circuito en el ProtoBoard, y armarlo con todos los componentes necesarios para cumplir con las condiciones. • Presentar el trabajo y comprobar la veracidad de los procesos realizados.

Fig. 1 Ejemplo de amplificador BJT

B. Transistor. Los transistores son los semiconductores, que puede comportarse como conductor o aislante, que se pueden en un circuito eléctrico, integrados también en el grupo de elementos electrónicos. Puede ampliar el poder la energía que reciba, además de crear perturbaciones en ella, modificar el camino que pueden llevar los electrones y puede convertir a la corriente alterna, en la que su magnitud varía constantemente, en corriente continua, la cual no cambia su ruta en todo el trayecto. Mayormente son fabricados con silicio y germanio, sin embargo los más adquiridos son los de silicio pues son más baratos; éste, por su parte, es un semiconductor, por lo que se le agregan algunas impurezas para convertirlo en un conductor. [1] [3]

C. Transistor 2N2222. Transistor 2N2222. Es un transistor de silicio y baja potencia, diseñado para aplicaciones de amplificación lineal y conmutación.

Es un transistor de silicio de mediana potencia con una polaridad npn, construido mediante el proceso de base epitaxial y designado para aplicaciones de amplificación lineal y conmutación. Puede amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias y trabajar a frecuencias medianamente altas. Es fabricado en diferentes formatos, los más comunes son los TO-92, TO-18, SOT23, y SOT-223. [3]

D. Principales Características. [2] • Voltaje colector emisor en corte 60V (Vceo) • Corriente de colector constante 800mA (Ic)

Vcc=12V Vee=12 v Para el análisis se tomo Para el caso de

• Frecuencia de trabajo 250 Mhz (Ft) • Encapsulado de metal TO-18 • Estructura NPN • Su complementario PNP es el Transistor 2N2907.

ℜ3 ≤ Rl

ℜ3=1 k Ω Rc 3= 0

I CQ =

• Potencia total disipada 500mW (Pd) • Ganancia o hfe 35 mínima

Vcc =24 v

Vcc Vcc + Vee = Rc +Re RE 3+R E 3 ∕ ∕ Rl

I CQ =16 mA Para este caso se asume un

β ≅ 200

Rth=0.1∗β∗ℜ3 Rth=20 k Ω Vth=V B V B =1.1∗Icq∗ℜ3+ V BE V B =16.9 v

R2 =

Rth =67 k VB 1− V cc

R2 ≅ 68 kΩ Fig. 2 Transistor 2N2222 y 2N2222A.

R1 =

IV. PARÁMETROS DE DISEÑO. Diseñar, simular e implementar un amplificador discreto con las siguientes características: a) Ganancia de voltaje 30

Rth∗V CC =28.4 kΩ VB

R1 ≅ 30 kΩ Ahora haciendo el análisis con

R2=30 kΩ

b) Fuente de alimentación de 12v. c) Señal de entrada: 200mVpp. (Medido a 1 kHz). d) Carga de 1KΩ. e) El amplificador debe estar compensado con respecto a variaciones de temperatura.

IV. DISEÑO. Para iniciar el diseño del multietapa se inicia desde la última etapa y se va desarrollando hasta llegar a la primera, En este caso se plantean tres etapas.

Rth=

Para esta etapa utilizamos un transistor emisor seguidor sin

Rc Rl=1 k Ω Vce=6 v Vbe=0.7 v

R1∗R2 R1 + R 2

Rth=20.81 kΩ Vth=

R2∗V CC R 1+ R 2

Vth=16.65 v

Vth− Rth∗I B −V BE −R E∗( β +1)∗I B

A. Tercera Etapa.

Se asume el valor de

R1=68 kΩ

I B=

Vth−V BE Rth+( β +1)∗R E

I B=71.90 uA I C =14.45 mA

y

Rπ =

β∗VT IC

R1∗R2 R1 + R 2

Rth=

Rπ =359.86 Ω

Rth=21.63 kΩ

Zi n3=Rth /¿ (Rπ +( β +1 )∗ R E 3 )

V b=Vth=

Zi n3=20.85 kΩ

R2∗V CC R 2 + R1

Vth=2.36 v

A. Segunda Etapa.

Rl=Zi n3

Vth−I B∗Rth−V BE −R E ( β +1 )∗ I B =0

β ≅ 200

I B=

RC

Deberá tener un valor de la mitad de

mismo valor de

RL

RL

o hasta el

Vth−V BE Rth+R E (β +1)

I B=6.83 uA

RC 2=10 kΩ

I C =β∗I B

Av =−6

I C =1.36 mA

Av ≃

−R C 2 /¿ R L RE2

Rπ =

−6.7 kΩ =1.1 kΩ Av

Rπ =3.82 kΩ

R E 2=

Av =

R E 2 ≅ 1.1 kΩ I CQ = I CQ =

β∗VT I CQ

A v =−6.01

V CC R DC+R AC

Zi n2= (R π + R E 2 ( β+ 1 ) )/¿ Rth

V CC RC 2 +R E 2+ R C 2 /¿ Rl+ R E 2

Zi n2=19.73 kΩ A. Primera Etapa.

I CQ =1.33 mA

Rl=Zi n2

Rth=0.1∗ β∗ R E

β ≅ 200

Rth=22 kΩ Vth=V B=1.1 ¿ I CQ∗RE∗+V BE V B =2.30 v Rth R2 = =24.33 kΩ VB 1− V CC R2 ≅ 24 kΩ Rth∗V CC R 1= =229.56 kΩ VB

RC=4.93 kΩ Av =−6 Av ≃

R1

y

R2

de la segunda etapa

−R C 1 /¿ R L RE1

R E 2=

−3.94 kΩ =656 Ω Av

R E 2 ≅ 680Ω I CQ=

R1 ≅ 220 kΩ Ahora con

−β∗R C 2 /¿ Rl R π +( β +1 ) RE 2

I CQ=

V CC R DC + R AC V CC RC 2 + R E 2+ R C 2 /¿ Rl + R E 2

I CQ=2.50 mA

A v Total =( −5.68 )∗(−6.01)

Rth=0.1∗ β∗ R E

A v Total =34.13

Rth=13.6 kΩ Vth=V B=1.1 ¿ I CQ∗RE∗+V BE V B =2.57 v

R2 =

Rth =15.23 kΩ VB 1− V CC

V. ANÁLISIS EN SOFTWARE Y MONTAJE EXPERIMENTAL. Después de realizar los respectivos cálculos matemáticos se procede a simular el circuito en el software Orcad y su respectivo montaje en protoboard para realizar las mediciones experimentales.

A. Simulación En Orcad.

R2 ≅ 15 kΩ Rth∗V CC =127.19 kΩ VB

R1 =

R1 ≅ 130 kΩ Ahora con

Rth=

R1

y

R2

de la primera etapa

R2∗R1 R2 + R 1

Rth=13.44 kΩ V b=Vth=

Fig. 3a Esquemático primera etapa.

R2∗V CC R 1 + R2

Vth=2.48 v

Vth−I B∗Rth−V BE −R E ( β +1 )∗I B =0 I B=

Vth−V BE Rth+ R E (β +1)

I B=11.85 uA I C =β∗I B I C =2.37 mA

Rπ =

β∗VT I CQ

Fig. 3b Señales de salida de la primera etapa en el dominio del tiempo.

De acuerdo con el valor de amplitud máximo de cada señal, se obtiene la ganancia:

Rπ =2.19 kΩ Av =

−β∗R C 2 /¿ Rl R π +( β +1 ) RE 2

A v =−5.68 Zi n1=( R π + R E 1 ( β+ 1 ) ) /¿ Rth Zi n1=12.25 kΩ

Av =

Vo = 67.881∗10−3 =0.997 v Vs 0.068

Fig. 5a Esquemático tercera etapa. Fig. 4a Esquemático segunda etapa.

Fig. 5b Señales de salida de la tercera etapa en el dominio del tiempo.

Fig. 4b Señales de salida de la segunda etapa en el dominio del tiempo.

De acuerdo con el valor de amplitud máximo de cada señal, se obtiene la ganancia:

De acuerdo con el valor de amplitud máximo de cada señal, se obtiene la ganancia:

Av =

Av =

Vo = 807.4634∗10 −3 =−11.8740 Vs 0.068

Vo 1.7065 =−25.09 = Vs 0.068

Fig. 3a Esquemático cuarta etapa.

Fig. 7 Señal de salida de la primera y segunda etapa.

Fig. 3b Señales de salida de la cuarta etapa en el dominio del tiempo.

De acuerdo con el valor de amplitud máximo de cada señal, se obtiene la ganancia:

Av =

Vo 1.5013 = =0.8797 Vs 1.7065

B. Montaje En ProtoBoard.

Fig. 8 Señal de salida de la tercera etapa.

Se obtuvo al anexar la ultima etapa la señal de salida final que se muestra:

Fig. 9 Señal de salida de la 3 etapa.

VI. TABLA DE RESULTADOS. A. Tercera Etapa. TABLA 1

Fig. 6 Montaje del diseño en la ProtoBoard. Al realizar el montaje de los implementos en la protoboard y efectuar las respectivas mediciones, se obtuvieron:

COMPARACIONES DE PROCESOS DE DISEÑO.

ETAPA 2

Av Zi Zo

Valor Teorico

Valor Simulado

Valor Medido

10 17.08K 2.2k

9.62 16.45K 2.11K

9.93 -

B. Segunda Etapa. TABLA 2

COMPARACIONES DE PROCESOS DE DISEÑO.

ETAPA 1

Av Zi Zo

Valor Teorico

1 100 K 491.85

Valor Simulado

0.992 113 k 523.76

Valor Medido

0.978 -

salida no era generada, Por esta razón se optó por crear un diseño sin capacitores en las resistencias del emisor de la etapa 1 y 2. • En el montaje físico del diseño donde se siguió la simulación de Orcad hubo cambios de valores de resistencias en el colector y en el emisor esto se dio porque la ganancia medida no entraba en el rango de los parámetros de diseño mostrando un valor más bajo se incrementó el valor de las resistencias para que la ganancia subiera.

VIII. REFERENCIAS. A. Bibliografia.

C. Primera Etapa.

R. Boylestad and L. Nashelsky, Electronic devices and circuit theory. Harlow: Pearson, 2014.

TABLA 3 COMPARACIONES DE PROCESOS DE DISEÑO.

IB IC V CE

Valor practico 24.68uA

Valor teórico 11.85uA

Valor simulado 18.64uA

2.7mA

2.37mA

2.31mA

6.76v

6v

6.5v

VII. CONCLUSIONES. • Durante el montaje de uno de los primeros prototipos, donde el diseño tenía capacitores paralelos en las resistencias del emisor de la etapa 1 y 2, se observó que los resultados de ganancia no eran los esperados, el circuito no generaba la señal de salida y notamos que al momento de retirarlos los capacitores se generaba la señal, pero no con la ganancia de 30 si no una más baja, saliéndose de los parámetros de diseño se llegó a concluir que estos capacitores obstruían el paso de la señal de entrada en las primeras etapas impidiendo mostrar la señal de salida.  





Se elaboro con gran éxito la programación en Matlab y el modelamiento de la señal de audio proporcionada. -Se investigo sobre el teorema de Nyquist, se aplicó y se comprobó con veracidad las frecuencias, ya que a frecuencias por debajo de 44,1 se reproducen con ruido y en la frecuencia ideal de 44,1 se reproduce la señal normalmente. -Se evidencio la perdida de señal y se comprobó la teoría, pero pude evidenciar que cuando se le pone cierta frecuencia va a variar y por ello hay que hacer varias pruebas hasta llagar a la mas cercana posible para apreciar dicho fenómeno. -En el laboratorio se pudo evidenciar que los dispositivos digitales proporcionan señales con frecuencias de 44,1K HZ 0 44100 HZ. Se verifico en Matlab que la frecuencia por defecto que toma dicho programa es la establecida por el teorema de Nyquist.

• Se observó que el capacitor de acople entre la etapa 2 y 3 tenía una dirección de polaridad diferente al de los demás, donde estos tenían la polaridad positiva hacia la carga y la polaridad negativa hacia la señal de entrada, mientras que la polaridad del capacitor de acople de la etapa 2 y 3 iba en sentido contrario. Se determinó que los capacitores electrolíticos tienden a polarizarse de la siguiente manera quedan con la polaridad positiva hacia la señal de entrada y la polaridad negativa hacia la 3 etapa o hacia la carga. • En el proceso de diseño hubo varios prototipos, en las primeras prueba utilizamos capacitores paralelos a las resistencias del emisor de la etapa 1 y 2. En los cálculos y en la simulación nos daba muy buenos resultados pero en el momento del montaje físico la señal de

SAVANT, Cj. RODEN, MARTIN.S, CARPENTER, GORDON. DISEÑOS ELECTRÓNICOS DE SISTEMAS.3.ra.Ed.California E.E.U.U: Prentice-Hall, 1999.

B. Referencias web [1] “El transistor,” Circuitos y Esquemas Electrónicos - Electrónica Fácil. https://www.electronicafacil.net/tutoriales/El-transistor.php [Consultado: 4-Jun-2018]. [2] “Transistor 2N2222,” Juan Gualberto Gómez - EcuRed. https://www.ecured.cu/Transistor_2N2222. [Consultado: 5-Jun2018]. [3] “transistor,” temas de http://www.areatecnologia.com/TUTORIALES/EL TRANSISTOR.htm. [Consultado: 5-Jun-2018].

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