Informe 3 (Grupo 1) - Reportes de laboratorio PDF

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Resumen — Se desarrollarán una serie de simulaciones de circuitos en donde se realizarán distintos tipos de configuraciones como ser: emisor, colector y base común esto con la finalidad de encontrar la impedancia de entrada y salida, la salida del amplificador BJT así mismo su ganancia del voltaje e...

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Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Freek Figueroa – Sec. Clase 1500 – Ing. Ángel Barahona

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Lección III: Amplificadores con BJT de 1 etapa Jonathan Chávez – 20141012014, Jhonny Rivera – 20153002153, Diana Gómez – 20151004690, Ricardo Alvarado – 20161004224, María Álvarez – 20161031674 Resumen— Se desarrollarán una serie de simulaciones de circuitos en donde se realizarán distintos tipos de configuraciones como ser: emisor, colector y base común esto con la finalidad de encontrar la impedancia de entrada y salida, la salida del amplificador BJT así mismo su ganancia del voltaje en AC. Para obtener la gráfica de estas tres configuraciones utilizaremos la herramienta Transient Análisis. Además, se realizará un análisis en DC para determinar los valores de tensión y corriente en su punto de operación. Palabras Clave—Amplificadores, Base común, BJT, Configuraciones, Colector común, Divisor de voltaje, Emisor común, Ganancia de tensión, Impedancia, Polarización.

I. INTRODUCCIÓN

E

l análisis del transistor como amplificador, se hace bajo condiciones donde se encuentra linealidad entre las características de la señal de entrada y la señal de salida. Estas son las de tener pequeña amplitud y baja frecuencia; es decir cuando la entrada es menor de 25mV con el fin de no sobrepasar la linealidad entre las curvas de entrada como diodo BE y utilizando frecuencias en la banda de audiofrecuencia que es de 100Hz a 10KHz.

condensadores de acoplamiento bloquean la DC y así evitan que la resistencia interna de la fuente, RS, y la resistencia de carga, RL, afecten las tensiones de polarización en la base y el colector. Los condensadores idealmente aparecen como cortocircuitos para el voltaje de la señal. La tensión de fuente sinusoidal hace que la tensión base varíe sinusoidalmente por encima y por debajo de su nivel de polarización de DC, VBQ. La variación resultante en la base de la corriente produce una mayor variación en la corriente del colector debido a la ganancia actual del transistor. B. Emisor Común con Polarización por Divisor de Voltaje. El circuito amplificador del emisor común de una sola etapa que se muestra arriba usa lo que comúnmente se llama "polarización del divisor de voltaje". Este tipo de disposición de polarización utiliza dos resistencias como una red divisora potencial a través de la fuente con su punto central que suministra la tensión de polarización básica requerida al transistor. La polarización del divisor de voltaje se usa comúnmente en el diseño de circuitos amplificadores de transistores bipolares.

Pasada esta frecuencia, entra a consideración las capacidades internas del dispositivo como la capacidad de la juntura BE y BC, que con el efecto MILLER forman una dependencia con las altas frecuencias muy limitante por los efectos sobre la sintonización de señales, que en esos casos son moduladas. II. OBJETIVOS 1) Comprender el comportamiento y funcionamiento de los transistores BJT cuando se utilizan como un amplificador. 2) Poder diferenciar las características que existen en las configuraciones de amplificadores BJT. 3) Saber qué importancia tienen las resistencias de entrada y salida. III. MARCO TEÓRICO A. Correlación con la Teoría. Los amplificadores BJT son lineales. Estos proporcionan la amplificación de una señal sin ninguna distorsión para que la señal de salida sea una réplica amplificada de la señal de entrada. Un BJT polarizado por divisor de voltaje amplifica la señal (en este caso sinusoidal) de una fuente de CA y se conecta a una carga ambas acopladas capacitivamente. Los Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH

Fig. 3.1 Amplificador emisor común

C. Colector Común con Polarización por Divisor de Voltaje. 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 del emisor común (CE) configuración que la

Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Freek Figueroa – Sec. Clase 1500 – Ing. Ángel Barahona 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 circuito de amplificador de colector común a continuación.

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E. Efecto de RS y RL Efecto de RL y RS. La ganancia de voltaje con carga de un amplificador siempre es menor que la ganancia sin carga. La ganancia obtenida con una resistencia de la fuente siempre será menor que la obtenida con carga o sin carga. Para un diseño particular, cuanto mayor sea el nivel de RL, mayor será el nivel de la ganancia de corriente alterna. Para un amplificador particular, cuanto menor sea la resistencia interna de la fuente de señal, mayor será la ganancia total. IV. MATERIALES Y EQUIPO

Fig. 32 Amplificador colector común

D. Colector Base con Polarización por Divisor de Voltaje. El amplificador de base común es otro tipo de configuración de transistor de unión bipolar (BJT) donde el terminal base del transistor es un terminal común para las señales de entrada y salida, de ahí su nombre base común (CB). La configuración de base común es menos común como amplificador en comparación con las configuraciones de emisor común (CE) o colector común (CC), pero aún se usa debido a sus características únicas de entrada / salida.

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Computadora. Programa NI Multisim. Guía de estudio 3. Excel Fuente DC de 15 V Transistor BJT 2N222A. Resistencias de 100, 470, 680, 5.1k, 6.8k y 100k ohm. Capacitores de 1, 10 y 47 microfaradios. Puesta a tierra Generador de funciones. Medidor de impedancia. Osciloscopio. Puntas de prueba. V. PROCEDIMIENTO

A. Análisis en DC Configuración en Emisor Común

Para que la configuración de la base común funcione como un amplificador, la señal de entrada se aplica al terminal emisor y la salida se toma del terminal colector. Por lo tanto, la corriente del emisor también es la corriente de entrada, y la corriente del colector también es la corriente de salida, pero como el transistor es un dispositivo de tres capas y dos conexiones pn, debe estar correctamente polarizado para que funcione como un amplificador de base común. Esa es la unión base-emisor está sesgada hacia adelante.

Fig. 5.1: Polarización en DC por divisor de voltaje

Medición de voltajes colector-emisor VCEQ, colector-base VCBQ y la corriente de colector ICQ. Fig. 3.3 Amplificador base común

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Fig. 5.4: Salida vs entrada del amplificador BJT en emisor común.

Calculando la ganancia de voltaje A/C haremos uso siempre del osciloscopio Fig. 5.2: Puntas de Prueba en Polarización en DC por divisor de voltaje TABLA 5.1: OPERACION EN DC DEL AMPLIFICADOR BJT VCEQ (V) VCBQ (V) ICQ (mA) 5.49 4.81 8.25

B. Análisis en AC A. Configuración en Emisor Común

Fig. 5.5: Amplificador BJT en configuración de emisor común con osciloscopio.

Teniendo en cuenta que |𝑣

𝐴 = |𝑣 𝑠𝑎𝑙|

Fig. 5.3: Amplificador BJT en configuración de emisor común.

Grafica de la onda con respecto a la onda de salida y a la señal de entrada.

|

(1)

𝑒𝑛

𝐴=

1.913𝑉 = 113.767 16.815𝑚𝑉

Aumentando el voltaje de entrada gradualmente hasta que se observe que la señal de salida comience a distorsionarse por saturación. Esto nos permitirá determinar el voltaje máximo permisible de entrada mediante 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑀𝑎𝑥 sin que exista distorsión. 𝑉 𝑉𝑒𝑛𝑚𝑎𝑥 = 𝑠𝑎𝑙𝑀𝑎𝑥 (2) 𝐴

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b) Impedancias de Salida Fig. 5.8. Impedancias de entrada y salida del amplificador. BJT en emisor común

A medida que se le aumenta el voltaje al circuito, podemos observar que se va distorsionando la gráfica, con el valor principal de 20mVp se observa una leve distorsión, de tal forma se eligió el valor de 50mVp ya que la distorsión es más visual y a criterio es donde se comienza a distorsionar aún más la señal de salida. 3.259 = 0.0286 𝑉 𝑉𝑒𝑛𝑚𝑎𝑥 = 113.767 En el proceso de encontrar las impedancias de entrada y salida, no se utilizará el proceso de la guía, en cambio, se eliminará en la entrada la fuente y la resistencia de 100Ω ya que esta es una sola y al final se eliminará la resistencia de 100kΩ. Y serán sustituidas por las herramientas de Multisim de cálculo de impedancia.

Impedancias Emisor Comun 20000 18000 16000

Impedancia (Ω)

Fig. 5.6. Grafica para encontrar el Venmax de Distorsión Emisor Comun

Luego de haber hecho las tablas en Excel, se creará un gráfico donde se muestre el comportamiento de ambas impedancias.

14000 12000

10000 8000 6000 4000 2000 0 10

100

1000

10000

Frecuencia (Hz) Zin

Zout

Fig. 5.9. Impedancias de entrada y salida del amp. BJT en base común

B. Configuración en Colector Común

Fig. 5.7. Impedancias de entrada y salida del amplificador BJT en base común

Fig. 5.10: Amplificador BJT en configuración de colector común.

Calculando la ganancia de voltaje A/C haremos uso siempre del osciloscopio a)Impedancias de Entrada

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a)Impedancias de Entrada

Fig. 5.11: Amplificador BJT en configuración de colector común con osciloscopio.

Grafica de la onda con respecto a la onda de salida y a la señal de entrada

b) Impedancias de Salida Fig. 5.14: Impedancias de entrada y salida del amplificador BJT en colector común.

Luego de haber hecho las tablas en Excel, se creará un gráfico donde se muestre el comportamiento de ambas impedancias.

Impedancias Colector Comun 3500 3000 2500

Encontrando 𝐴 959.220𝑚𝑉 𝐴= = 0.994 964.677𝑚𝑉 Procedimiento para encontrar las impedancias de entrada

Impedancia(Ω)

Fig. 5.12: Salida vs entrada del amplificador BJT en colector común.

2000 1500 1000 500

0 10

100

1000

Frecuencia (Hz) Zin

Zout

Fig. 5.15. Impedancias Colector Común

Fig. 5.13. Circuito de Impedancias de entrada y salida BJT en colector común.

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10000

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C. Configuración en Base Común

Fig. 5.15: Amplificador BJT en base común.

Calculando la ganancia de voltaje A/C haremos uso siempre del osciloscopio

Fig. 5.18. Grafica para encontrar el Venmax de Distorsión Base Común.

Se eligió el valor de 900mVp ya que la distorsión es más visual y se ve más marcada la diferencia. 𝑉𝑒𝑛𝑚𝑎𝑥 =

3.858 𝑉 = 35.354 𝑚𝑉 109.126

Cálculo de las impedancias del base común Fig. 5.16: Amplificador BJT en configuración de base común con osciloscopio.

Grafica de la onda con respecto a la onda de salida y a la señal de entrada

Fig. 5.19. Impedancias de entrada y salida del amplificador BJT en base común.

a)Impedancias de Entrada Fig. 5.17: Salida del amplificador BJT en base común.

Encontrando 𝐴 𝐴=

886.760𝑚𝑉 = 109.126 8.126𝑚𝑉

Aumentando el voltaje de entrada gradualmente hasta que se observe que la señal de salida comience a distorsionarse por saturación. Esto nos permitirá determinar el voltaje máximo permisible de entrada mediante 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑀𝑎𝑥 sin que exista distorsión. Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH

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Con los resultados teóricos y prácticos se puede obtener un % de error como se muestra a continuación: |𝑉𝑇𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑃𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜 | ∗ 100 %𝐸 = 𝑣𝑃𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜 Los resultados de error en los parámetros Q se muestran a continuación: TABLA 6.2. PARAMETROS DE ERROR DE Q b) Impedancias de Salida Fig. 5.20: Impedancias de entrada y salida del amplificador BJT en base común.

Luego de haber hecho las tablas en Excel, se creará un gráfico donde se muestre el comportamiento de ambas impedancias.

Parámetro

%𝑬

𝑽𝑪𝑬𝑸(𝑽) 𝑰𝑪𝑸 (𝑨)

0.5% 0.32%

El porcentaje de error de los valores medidos con respecto a los calculados es bajo por lo tanto se puede decir que los resultados tienen un rango aceptable. La ganancia de voltaje es de aproximadamente 91.3 el cual es un valor aceptable.

Impedancias Base Comun B. Colector común 1800

Notamos que al alimentar nuestro circuito con el valor de 1 Vp en el generador de funciones, se deja ver que la señal de salida está claramente atenuada. Apreciamos que en la configuración de colector común se necesita un valor de voltaje pico más alto si se compara con la configuración de emisor común. Así mismo, esto es evidente al momento de calcular la ganancia que nos da un valor de 0.9946, que al ser menor de 1 podemos comprobar que el circuito no amplifica la señal, sino todo lo contrario, la atenúa.

1600

Impedancia (Ω)

1400 1200 1000 800 600

400 200 0 10

100

1000

10000

Frecuencia (Hz) Zin

Zout

Fig. 5.21: Impedancias Base Común.

VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS A. Emisor común El circuito de la figura 1 presenta una auto polarización por divisor de tensión y según los datos obtenidos para características del punto Q y haciendo una comparación con las siguientes ecuaciones: 𝑉𝑇𝐻=(15𝑉)(5.1𝑘)(5.1𝑘)+(6.8𝑘)= 6.4286 V 𝑅𝑇𝐻=(6.8𝑘)(5.1𝑘)(5.1𝑘)+(6.8𝑘)= 2.9143 ㏀ − 𝑉𝑇𝐻+ 𝑅𝐵∗𝐼𝐵+𝑉𝐵𝐸+𝑅𝐸∗𝐼𝐸=0 −6.4286𝑉+ (2.9173𝑘)∗𝐼𝐵+0.7𝑉+(680)∗𝐼𝐸=0 𝐼𝐸=(𝛽+1)*𝐼𝐵 Los resultados teóricos se muestran en la siguiente tabla: TABLA 6.1. RESULTADOS TEORICOS DE LA AUTOPOLARIZACION

𝑽𝑪𝑬𝑸 (𝑽)

𝑰𝑪𝑸 (𝑨)

5.4628 V

8.2767 mA

C. Base común Una ventaja que observamos en esta configuración fue su tolerancia en cuanto a su permisibilidad en el voltaje de entrada en comparación con la configuración de emisor común. Y visualizamos que el voltaje de salida máximo antes de la distorsión estaba cerca de los 300mV. También notamos que el amplificador en configuración base común es más susceptible que la configuración emisor común, todo esto basado en su señal de salida. VII. CUESTIONARIO 1) ¿Cuáles son las ventajas de la polarización por divisor de voltaje en amplificadores BJT con respecto a otras formas de polarización? Con este tipo de polarización la estabilidad del punto Q es mucho mejor, es decir a medida que el transistor este trabajando, los valores de ICQ, VCEQ se mantendrán casi inalterables. Es por esta razón que este tipo de polarización es la más utilizada cuando se trata de diseñar un amplificador, además que se puede emplear en todas las configuraciones posibles de un BJT. 2) ¿Qué pasaría en los circuitos con polarización en DC por divisor de voltaje, si β varía drásticamente? El voltaje de salida tendría un cambio drástico además de la

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Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Freek Figueroa – Sec. Clase 1500 – Ing. Ángel Barahona corriente de colector debido a que el valor de β es muy sensible a pequeñas variaciones. Además, este provocaría variaciones en las temperaturas y de la impedancia de salida.

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objetivo de obtener una respuesta de un circuito eléctrico que se extingue y/o varía en el tiempo. VIII. CONCLUSIONES

3) ¿Cuál es el efecto de la impedancia del generador en la señal de salida del amplificador? Explique. La ganancia de voltaje puede ser significativa y la ganancia de corriente de cierta magnitud si los parámetros se seleccionan correctamente. 4) ¿Cuál es la función del resistor de emisor en los amplificadores BJT? ¿Por qué se le conecta en paralelo un capacitor? El resistor de emisión en los amplificadores BJT sirve para regular el valor de la corriente de base en el análisis DC para así tener un mejor control de los valores de polarización y controlar nuestro punto de trabajo (Q). A este se le conecta un capacitor en paralelo ya que en el análisis DC se comporta como un circuito abierto y no afecta en nada, pero para la señal AC, se comporta como un corto circuito, así cortocircuitando nuestro resistor y prácticamente eliminándolo y conectando nuestra terminal de emisor a tierra, que es lo que se busca en un emisor común. 5) ¿A qué se debe la distorsión por saturación en los amplificadores con BJT? ¿Tiene algo que ver el punto de operación en DC? ¿Se puede exceder el Ven Max? Tiene que ver con el punto de operación DC, ya que este nos controla la oscilación de la señal AC, en los circuitos amplificadores la señal de salida es una réplica de la señal de entrada , si una crece la otra también lo hace, por esa razón si nuestro punto de operación está “corrido” hacia arriba o hacia abajo del punto deseado, notaremos una distorsión en nuestra señal de salida, visualmente se apreciaría en las gráficas unos cortes arriba o abajo dependiendo de cómo se haya “corrido” el punto de operación. 6) Haga una tabla comparativa que muestre las ventajas/desventajas de las 3 configuraciones de los amplificadores con BJT comparando sus ganancias y sus impedancias entrada/salida.

Ganancia(v/v) ZI (ohm) ZO (ohm)

E. Común 113.7404 5084.67 7269.53

B. Común 0.09946 50 419.844

C. Común 115.2996 2802.84 46.2724

7) ¿Qué es y para qué es útil el Transient Analysis de Multisim? Es una herramienta que nos presenta Multisim todo con el fin de crear simulación en circuitos que presentan capacitores e inductores. Es útil para crear una simulación de la fase de carga de un capacitor o inductor, es decir la respuesta transitoria de un circuito que posea ya sea un capacitor (Circuito RC) o un inductor (Circuito RL), e incluso un circuito RLC. Todo con el

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Con esta simulación hemos ampliado el conocimiento respecto a los amplificadores BJT y sus distintas configuraciones, sus diferentes características y como se diferencian de las demás configuraciones -Diana Gómez Los amplificadores BJT son diseñados para amplificar señales de entrada de voltaje pequeño en señales de salida mucho más grandes. La configuración emisor común destaca entre las demás configuraciones por su diseño sencillo, práctico y de mejor funcionalidad amplificativa. -Jhonny Rivera Para que una señal no se vea distorsionada, se requiere de una polarización en corriente directa para que el amplificador pueda ampliar la señal de entrada en todo su ciclo con el punto Q en la terminal de la base o en unas ocasiones en el emisor. -Jonathan Chávez En esta práctica logramos profundizar en el conocimiento de la amplificación, en general y del amplificador BJT, formado por una etapa. En la qu...