Jose Alberto Ruiz, Mauricio Escobar.
Laboratorio Electrónica Análoga II, Escuela de Mecatrónica, Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín
Resumen: En la práctica 3 se realizaron dos amplificadores bajo la aproximación de pequeña señal. El primero de ellos, emisor común, se ejecutó para amplificar señales sinusoidales de amplitud de 0.05 V en un rango de frecuencias donde el circuito mostrara su máxima ganancia. El mismo procedimiento se llevó a cabo para el segundo amplificador: seguidor emisor. Finalmente se conectaron ambos circuitos en cascada y se tomaron medidas sobre su ganancia en conjunto.
Abstract: During the third lab, it was carried out two signal amplifiers under the small signal model. The first of them, common emitter, amplifies sine signals whose amplitude rounds 0.05 V in a frequency range where circuit shows máximum voltaje gain. Same procedure was applied to the amplifier named common collector.
Palabras Clave: emisor común, colector común.
Keywords: common emitter, common collector.
1. INTRODUCCIÓN
Trabajar con señales eléctricas pequeñas puede ser tedioso debido a la necesidad de equipos muy precisos y procedimientos finos. Es por esto que se amplifica una señal, para ¨agrandarla¨ hasta una magnitud que sea manejable.
En esta informe se desarrolla los resultados prácticos de dos tipos de amplificadores con ganancias diferentes, luego se acoplan en cascadas. Observaremos como el comportamiento de estos amplificadores puede variar de acuerdo a efectos externos como la resistencia interna del generador de señales, situación que en general puede ser extendida a la resistencia interna de cualquier transductor o generador de información. Finalmente se obtienen conclusiones del trabajo de estos dos circuitos.
Adicionalmente, es de interés controlar la velocidad de giro de un motor, ya que esta determina el trabajo de eje de este. De acuerdo con una situación determinada (costo de energía, cantidad de producción, etc) se quiere aumentar o disminuir la cantidad de trabajo que ejerce el motor, luego un variador de velocidad totalmente externo al equipo es menester.
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2. DESARROLLO DEL EXPERIMENTO 2.1 El Transistor BJT Como Amplificador -
Pequeña Señal
Emisor Común:
En esta configuración se amplifica una señal de 50 mV, es decir 0.05V, ya que debido a un valor relativamente alto de la ganancia, no se debe exceder de alrededor de 0.1 V para no caer en regiones de corte o saturación.
Informe de la Práctica 3: El Transistor BJT
Como Amplificador - Pequeña Señal
Informe: 4.0 (60%) Práctica: 3.8 (40%) Calificación: 3.9
Por medio del osciloscopio de la mesa de trabajo, ante una entrada sinusoidal de 0.05, se obtuvo una salida de 1,4V pico.
Figura 1: Configuración emisor común
Esto implica una ganancia real Av=28 a una frecuencia de 216 KHz, la cual esta entre la frecuencia de corte inferior y superior, es decir está en la zona donde el circuito muestra la ganancia esperada.
La ganancia obtenida por el emisor común en el laboratorio es muy diferente de la calculada teóricamente. Esto es debido, principalmente, a la resistencia de salida de la fuente, se ahondará esta análisis en la sección 3.
A continuación se procedió a calcular la impedancia de entrada del amplificador, para lo cual, ante una alimentación de 0,05V, se conectó un amperímetro a la entrada del circuito para medir la corriente de entrada. Iin-RMS=162,8 uA
Vin-pico=0,05V luego Vin-RMS=0,0353V
Entonces la impedancia de entrada se calcula como el cociente del voltaje de entrada y la corriente de entrada, ambos en valor RMS, lo que arroja el resultado:
Zin=217,17 Ohms.
Para calcular la impadancia de salida, acudimos a conceptos del equivalente de Thevènin. La idea es tomar la totalidad del amplificador emisor común como un equivalente de thèvenin y conectar a su salida un potenciómetro como circuito de carga. Se produce entonces un divisor de voltaje que arrojará a la salida un voltaje máximo cuando el potenciómetro impone su máxima
resistencia y mínimo en caso que este en su resistencia más pequeña.
Se midió el voltaje máximo: 1,3V.
El voltaje de salida debe ser la mitad cuando la resistencia en potenciómetro sea similar a la impedancia de thèvenin, y dicha resistencia en el potenciómetro será la resistencia de salida: Para Vmax/2=0,65V, Rpot=24,6 Ohms = Rout
Seguidor Emisor:
Figura2: Configuración colector común En esta configuración, la cual es similar a emisor común excepto que la salida se toma por el emisor, se amplificó señales sinusoidales de amplitud 0,05V y a una frecuencia de 850 KHz. Este cambio en frecuencia respecto al circuito emisor común se debió al deseo por analizar el circuito en la región frecuencial, también de máxima ganancia, pero cercano al límite superior.
Para la entrada de 0,05V, se obtuvo en la salida:
Vout=0,04V.
Esto indica una ganancia de voltaje del circuito de Av=0,8V a 850 Hz.
Esa ganancia también es menor a la calculada en el preinforme, la cual se le atribuye la mayor parte a la resistencia de salida del generador de señales. Nuevamente, este tema se ahondará en la siguiente sección.
Sin embargo, remarquemos que la ganancia es menor y cercana, para nuestros propósitos, a 1; justo como se esperaría de un circuito colector
común.
Ahora, para calcular impedancia de entrada y salida en esta configuración se optó por el método del equivalente de thèvenin y la resistencia variable, ya que los amperímetros para magnitudes pequeñas funcionan con gran error en sus medidas.
Esto es, para la resistencia de entrada, se conecto el generador de señales a un potenciómetro y de este al circuito amplificador. Cuando el potenciómetro de ubica en su máxima resistencia, el voltaje de entrada en el seguidor emisor es nulo, así mismo cuando la resistencia variable se sitúa en el mínimo, el voltaje en el circuito es máximo de 0,04V aproximadamente.
Cuando el voltaje en la entrada del amplificador si ubicó en 0,02V se procedió a medir la resistencia impuesta por el potenciómetro:
Rpot=163,7 Ohms.
Esto implica que con esta resistencia, como el voltaje sobre el seguidor emisor se reduce a la mitad, se iguala el valor resistivo del circuito para señales de entrada. Es decir, esta es su resistencia de entrada.
Similar que para la configuración anterior, se ubico un potenciómetro como carga y se varió su resistencia hasta que el voltaje en salida se redujo a la mitad.
Rpot=11 Ohms.
Luego esta resistencia es igual a la interna del circuito vista desde las terminales de salida, entonces el resistor del potenciómetro marca la resistencia de salida del circuito.
Conexión Cascada: Seguidor emisor- Emisor común:
Este tipo de conexión consiste en ¨inyectar¨ la señal de entrada al circuito seguidor emisor, ubicar el emisor común a la salida del seguidor y finalmente tomar la salida total del sistema a
la salida del emisor común.
El generador se configuró para una salida de 0,05V, como en los circuitos anteriores. Esta entrada se vió reflejada en la salida en una señal de voltaje de 0,22V.
Entonces, la ganancia experimental de todo el sistema es de
Av=4,4.
Estas medidas fueron a una frecuencia de 850 KHz, la cual se ubica dentro del rango frecuencial donde ambos sistemas muestran su máxima amplitud.
3. COMPARACIÓN DE RESULTADOS Y ANÁLISIS DE ERROR
La ganancia experimental fue de Av=28. Sin embargo en el preinforme se había establecido una ganancia de 60.
Esta diferencia no es cuestión de saturación en el transistor, ya que se polarizó con Vcc=14V y se diseño para garantizar máxima excursión de salida.
Se presumió en la sección 2 que la razón de esta caída en la ganancia se debía a la resistencia de salida del generador de señales, veamos que tan cierto es:
Cuando se tienen acoples entre dos circuitos, la ganancia teórica se debe multiplicar por un factor F. Este factor es
. En nuestro caso el factor debe ser F=0,35 para reducer Av de 60 hasta 28.
Conocemos la resistencia de entrada de nuestro amplificador. Encontremos la resistencia de salida del generador de señales necesaria para tener un factor F=0,35.
Zout=Zin*(1-0,35)/0,35 = 403 Ohms.
Sin embargo, de acuerdo a la experiencia en el laboratorio, se conoce que la impedancia de los generadores de señal ronde los 50 Ohms. Esto
implica que no la única razón para el cambio en ganancia de voltaje.
Verifiquemos que la resistencia de salida del generador si es, de hecho, cercana a 50 Ohms. Durante la práctica, el generador se configuró para una salida de 0,05 V pico, pero por medidas a la entrada del circuito arrojaban 0,04V. Entonces aplicamos:
0,04=0,05*(Rin)/(Rin+Ro) esto implica que Ro=54,29 Ohms asumiendo correcta la medida de impedancia de entrada para el circuito. Con este resultado, también debe haber pérdidas en la ganancia atribuidas a la incertidumbre de los valores de resistencia las cuales rondan el 5% o 10% y las conexiones. Para la configuración de seguidor emisor, se había estipulado una ganancia de 0,612. Sin embargo la obtenida en el laboratorio fue de 0,8. Por lo que la reducción en la ganancia por el factor F de acople se vió superada por el error en las resistencias haciendo que la ganancia del amplificador inclusive aumentara. En el caso de la cascada entre seguidor emisor y emisor común, la ganancia total se vió reducida a 4,4. Analicemos los factores de acople para verificar este resultado.
F1, será el acople entre generador y entrada al seguidor emisor, la cual será F1=163,7/(163,7+54,29)=0,75.
F2 será el acople entre la entrada de emisor común y salida del seguidor emisor: F2=217,17/(217,17+11)=0,95.
Finalmente F3 será el acople entre la salida del emisor común y la resistencia de carga, la cual
fue de 1000 Ohms:
F3=1000/(1000+24,6)=0,97.
Luego la ganancia total será: Av1*Av2*F1*F2*F3=15,48=Avtotal.
Esto está relativamente alejado del valor experimental obtenido para la ganancia de la
cascada=4,4. Esto se le atribuye, nuevamente, a la incertidumbre en la medida de las resistencias y en los bornes de las terminales (conexión).
4. SIMULACIONES
Al simular circuito de la configuración emisor común con ayuda de PSpice AD obtenemos la siguiente gráfica
Figura 3: Simulación Emisor Común Donde la línea verde es el voltaje de entrada y el rojo el de salida
Al simular la configuración colector común obtenemos la figura 4
5. CONCLUSIONES
Al utilizar transductores o en general cualquier fuente de señal, se debe calcular su impedancia de salida para poder acoplar lo mejor posible con el circuito de procesamiento de la señal.
El rango frecuencial en el que los amplificadores muestran su máxima ganancia se encuentra delimitado por un mínimo que se encuentra regido por los condensadores de entrada y de salida del circuito. El margen superior está supeditado a los condensadores parásitos del transistor y de la capacitancia de miller.
BIBLIOGRAFÍA
Rashid M. “Circuitos
Microelectronicos Análisis y Diseño” International Thomson. 1999
Boylestad R. “Electrónica, teoría de
circuitos” Prentice Hall
Hispanoaméricana. 1982 Datasheet Q2n2222 Datasheet LM 555 Datasheet 4n25 Datasheet TIP 122
