DISEÑO DEL AMPLIFICADORES EN LA CONFIGURACIÓN COLECTOR COMÚN. PDF

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Los amplificadores de colector comunes producen un voltaje de salida a través de su carga de emisor que está en fase con la señal de entrada El amplificador de colector común es otro tipo de configuración de transistor de unión bipolar (BJT) donde la señal de entrada se aplica al terminal base y la ...

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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CARRERA DE INGENIERIA MECATRÓNICA.

ELECTRÓNICA FUNDAMENTAL. NRC: 5170 Informe de laboratorio Tema: DISEÑO DEL AMPLIFICADORES EN LA CONFIGURACIÓN COLECTOR COMÚN. Profesor: Ing. Carlos Ponce INTEGRANTES Fabricio Veintimilla

23 de julio de 2019 SANGOLQUÍ

UNIDAD N° 3 Informe de laboratorio 3.1 Tema: DISEÑO DEL AMPLIFICADORES EN LA CONFIGURACIÓN COLECTOR COMÚN. 1. Marco teórico

Amplificador de colector común Los amplificadores de colector comunes producen un voltaje de salida a través de su carga de emisor que está en fase con la señal de entrada El amplificador de colector común es otro tipo de configuración de transistor de unión bipolar (BJT) donde la señal de entrada se aplica al terminal base y la señal de salida se toma del terminal emisor. Por lo tanto, el terminal colector es común a los circuitos de entrada y salida. Este tipo de configuración se denomina colector común (CC) porque el terminal del colector está efectivamente "conectado a tierra" o "conectado a tierra" a través de la fuente de alimentación. En muchos aspectos, la configuración de colector común (CC) es el reverso de la emisor común (CE) configuración que la resistencia de carga conectada se cambia desde el terminal de colector para 𝑅𝐶 al terminal emisor para 𝑅𝐸 . La configuración del colector común o del colector a tierra se usa comúnmente cuando se necesita conectar una fuente de entrada de alta impedancia a una carga de salida de baja impedancia que requiere una alta ganancia de corriente. Considere el siguiente circuito amplificador de colector común.

Amplificador de colector común utilizando un transistor NPN

Los resistores 𝑅1 y 𝑅2 forman una red divisora de voltaje simple que se usa para desviar el transistor NPN a la conducción. Dado que este divisor de voltaje carga ligeramente el transistor, el voltaje base, 𝑉𝐵 se puede calcular fácilmente usando la fórmula simple del divisor de voltaje como se muestra. Red divisora de voltaje

Con el terminal colector del transistor conectado directamente a 𝑉𝐶𝐶 y sin resistencia de colector, (𝑅𝐶 = 0) cualquier corriente de colector generará una caída de tensión en la resistencia del emisor 𝑅𝐸 . Sin embargo, en el circuito del amplificador del colector común, la misma caída de voltaje, 𝑉𝐸 también representa el voltaje de salida, 𝑉𝑂𝑈𝑇 . Lo ideal sería que la caída de la tensión de CC en 𝑅𝐸 sea igual a la mitad de la tensión de alimentación, 𝑉𝐶𝐶 para hacer que la tensión de salida de los transistores se sitúe en algún lugar en medio de las curvas de características que permitan una señal de salida máxima sin clips. Por lo tanto, la elección de 𝑅𝐸 para hacer que la tensión de salida de los transistores se sitúe en algún X actual de los transistores Beta, β. A medida que la unión pn de base-emisor está polarizada hacia adelante, la corriente de base fluye a través de la unión hacia la acción del transistor, lo que provoca una corriente de colector mucho mayor, 𝐼𝐶 , para que fluya. Por lo tanto, la corriente de emisor es una

combinación de corriente de base y la corriente de colector como: 𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶 . Sin embargo, como la corriente de base es extremadamente pequeña en comparación con la corriente del colector, la corriente del emisor es aproximadamente igual a la corriente del colector. Así 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝐶 . Al igual que con la configuración del amplificador de emisor común (CE), la señal de entrada se aplica al terminal base de los transistores y, como hemos dicho anteriormente, la señal de salida del amplificador se toma del terminal del emisor. Sin embargo, como solo hay una unión pn con polarización directa entre la base de los transistores y su terminal emisor, cualquier señal de entrada aplicada a la base pasa directamente a través de la unión al emisor. Por lo tanto, la señal de salida presente en el emisor está en fase con la señal de entrada aplicada en la base. Como los amplificadores de señal de salida se toma desde el otro lado de la carga de emisor de este tipo de configuración de transistor es también conocido como un seguidor de emisor circuito que la salida del emisor “siguiente” o pistas cualquier cambio de voltaje a la señal de entrada base, excepto que permanece alrededor de 0,7 voltios (𝑉𝐵𝐸 ) por debajo de la tensión base. Por lo tanto, 𝑉𝐼𝑁 y 𝑉𝑜𝑢𝑡 están en fase produciendo una diferencia de fase cero entre las señales de entrada y salida. Dicho esto, la unión pn de los emisores actúa efectivamente como un diodo de polarización directa y para señales de entrada de CA pequeñas esta unión de diodo emisor 25𝑚𝑉 tiene una resistencia dada por: 𝑟′𝑒 = 𝐼 donde 25mV es el voltaje térmico de la unión 𝐸

a temperatura ambiente (25 o C) e I e es la corriente del emisor. Entonces, a medida que aumenta la corriente del emisor, la resistencia del emisor disminuye en una cantidad proporcional. La base de corriente que fluye a través de esta resistencia interna unión base-emisor también fluye hacia fuera y a través de la resistencia de emisor conectado externamente,𝑅𝐸 . Estas dos resistencias están conectadas en serie, por lo que actúan como una red divisora potencial que crea una caída de voltaje. Como el valor de 𝑟′𝑒 es muy pequeño, y 𝑅𝐸 es mucho mayor, por lo general en el rango de kilohms (kΩ), la magnitud del voltaje de salida del amplificador es, por lo tanto, menor que su voltaje de entrada. Sin embargo, en realidad, la magnitud de la tensión de salida (pico a pico) está generalmente en el valor de 98 a 99% de la tensión de entrada, que en la mayoría de los casos es lo suficientemente cercana como para ser considerada como ganancia unitaria. Podemos calcular la ganancia de voltaje, 𝑉𝐴 del amplificador de colector común, usando la fórmula del divisor de voltaje como se muestra, asumiendo que el voltaje base, 𝑉𝐵 es en realidad el voltaje de entrada, 𝑉𝐼𝑁 .

Amplificador de colector común de ganancia de voltaje

Por lo tanto, el amplificador del colector común no puede proporcionar amplificación de voltaje y otra expresión utilizada para describir el circuito del amplificador del colector común es un circuito de seguidor de voltaje por razones obvias. Por lo tanto, dado que la señal de salida sigue de cerca a la entrada y está en fase con la entrada, el circuito del colector común es, por lo tanto, un amplificador de ganancia de voltaje unitario que no invierte.[1]

2.

Diseñar amplificadores en la configuración Colector Común.

𝐃𝐚𝐭𝐨𝐬: Vin = 2 sen wt [V] Zin ≥ 4k [Ω] R L = 510 Ω fmin = 20 Hz ; fmax = 2 kHz

V2 12V

RC 10kΩ C2

V1 2Vpk 60Hz 0°

3.

220µF

Q1 2N3904 RE 10kΩ

C1 R4 510Ω 470µF

RL 510Ω

Para al amplificador diseñado, realice las siguientes actividades.

3.1

Calcule el punto de operación del transistor Utilizar los valores 𝐃𝐚𝐭𝐨𝐬: R E = 510 [] R B1 = 10 [K] R B2 = 10 [K]  = 100 Vcc = 12 [V] VBE = 0,7 [V]

Voltaje en divisor de voltaje 𝑉𝐵 = 𝑉𝑇𝐻 =

10 12 = 6 𝑉 20

Para malla divisora de voltaje −6 + 5𝑘Ω(𝐼𝐵 ) + 𝑉𝐵𝐸 + 510(𝛽𝐼𝐵 ) = 0 𝐼𝐵 = 33.44𝜇𝐴 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 = 10.03𝑚𝐴 𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 = 10.06 𝑚𝐴

Para malla de emisor −12 + 𝑉𝐶𝐸 + 510𝐼𝐶 = 0 𝑉𝐶𝐸 = 6.87 𝑉 𝑉𝐸 = 𝑅𝐸 𝐼𝐸 = 5.13 𝑉 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐸 + 𝑉𝐸 = 12 𝑉

Calcular el punto de operación (Q) Ecuación característica −12 + 𝑉𝐶𝐸 + 510𝐼𝐶 = 0 𝑉𝐶𝐸𝑚𝑎𝑥 = 12 𝐼𝐶𝑚𝑎𝑥 = 23.52 𝑚𝐴

Figura 1 Punto de operación del transistor

Figura 2 Puntos de la grafica de la Figura 1

3.2

Calcule Zin, Zo, Av, AI. 𝑍𝑖𝑛 = 10𝑘||10𝑘||𝛽𝑟𝑒 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸 𝑟𝑒 =

26𝑚𝑉 = 2.58Ω 𝐼𝐸

𝑍𝑖𝑛 = 4842.64Ω 𝑍𝑜𝑢𝑡 = 𝑅𝐸 ||𝑟𝑒 𝑍𝑜𝑢𝑡 = 2.57 Ω 𝐴𝑣 = 1 𝐴𝑖 = 300 3.3

Grafique el diagrama de voltajes.

Figura 3 Grafica de señal de entrada y señal de salida

Figura 4 Valores registrados en simulador LTspice. 3.4

Verifique el punto de operación del transistor.

3.5

Verifique los parámetros de corriente alterna del amplificador.

3.6

Realice un cuadro con los resultados obtenidos.

𝐼𝐵 𝐼𝐶 𝐼𝐸 𝑉𝐵 𝑉𝐶 𝑉𝐸 𝑉𝐶𝐸 𝐴𝑣 𝐴𝑖

Valores Valores Valores Error calculados simulados experimentales porcentual 56.2 µA 68.06 % 33.44 𝜇𝐴 32.18 𝜇𝐴 9.95 mA 0.79 % 10.03 𝑚𝐴 10.01 𝑚𝐴 9.80 mA 2.58 % 10.06 𝑚𝐴 −10.04 𝑚𝐴 6𝑉 5.84 𝑉 5.72 V 4.67 % 12 V 0% 12 𝑉 12 𝑉 5.13 𝑉 5.12 𝑉 5.04 V 1.75 % 6.97 V 1.45 % 6.87 𝑉 6.88 𝑉 0.96 V 4% 1 0.995 177 40.8 % 299.94 311.06 Tabla 1 Valores calculados, simulados, experimentales y cálculo de errores porcentuales

4. Conclusiones •

Este tipo de configuración del transistor BJT nos otorga una ganancia teórica de 1 pero como pudimos constatar en la simulación y en el laboratorio, existen perdidas inherentes al circuito lo cual nos da una ganancia de 0.99 y 0.96 respectivamente lo cual es un valor aceptable para considerar la ganancia como 1.

•

Los transistores BJT tienen grandes aplicaciones dentro de la electrónica. Así como esta configuración de colector común existen otras configuraciones que nos ayudan a tener mayor voltaje de salida, es decir, una ganancia mayor a 1.

•

La configuración de emisor común, si bien es cierto no nos ayuda a obtener una ganancia de voltaje, sino mas bien, tener el mismo voltaje de la entrada, su utilidad la presenta para acoplar impedancias. Debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una impedancia de salida muy pequeña, esta configuración es optima para el acoplamiento entre etapas, para asegurarnos, además, de menorar la posible distorsión de la señal.

•

El error tan grande de 68.6% en la corriente de base parece ser de gran importancia, pero, ya que el resto de valores es congruente se puede asumir que el error se debe a una mala medición por parte del ensayista o alguna característica propia del transistor utilizado que hizo variar este valor.

•

El error de 40.8% en la ganancia de corriente 𝐴𝑖 es debido a que el valor de la corriente de base 𝐼𝐵 tiene una gran diferencia entre el valor calculado y el experimental mientas que la corriente de colector 𝐼𝐶 , tanto el lo calculado y lo experimental tienen gran similitud. Recordando que la ganancia de corriente está

dada por 𝛽 =

𝐼𝐶 𝐼𝐵

al tener una variación importante en la corriente de base eso explica

porque también existe una gran variación en la ganancia de corriente. 5. Recomendaciones •

Para esta práctica hay que tomar en cuenta que los valores teóricos y experimentales si bien se aproximan mucho, aún existe una pequeña diferencia entre sus ganancias lo que resulta en que la señal de salida sea, aunque por muy poco, menor que la señal de entrada.

6. Bibliografía

[1]

“Amplificador de colector común.” [Online]. Available: http://tutorialesdeelectronicabasica.blogspot.com/2019/03/amplificador-de-colectorcomun.html. [Accessed: 25-Jun-2019]....