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Universidad Nacional de Colombia. Chaparro Arce. El transistor BJT como amplificador de pequea seal.
Diciembre de 2014
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Abstract The results obtained in the lab No. 10 of analog electronics, directed at implementation of bipolar junction
transistors BJT power amplifiers are evaluated. Various design
configurations in which it is possible to obtain amplification
with transistors of this type that will be useful for the
development of the final project will be developed.
Resumen A continuacin se evaluarn los resultados obtenidos en la prctica de laboratorio N 10 de
electrnica anloga, dirigida a la implementacin de los
transistores de unin bipolar BJT en amplificadores de
potencia. Se desarrollar el diseo de diversas
configuraciones en las que es posible obtener
amplificacin con transistores de este tipo que sern de
utilidad para el desarrollo del proyecto final.
Palabras clave Colector comn, emisor comn, diseo, punto ptimo de trabajo, fase.
I. OBJETIVOS
Aplicar la teora de transistores de unin bipolar (BJT)
para seales de pequea seal y para acoplar
impedancias entre etapas de circuitos electrnicos.
1. Disear e implementar circuitos
amplificadores de pequea seal con
transistores BJT, polarizados en configuracin
de emisor y colector comn.
2. Amplificar seales alternas de baja amplitud.
3. Validar experimentalmente el funcionamiento
del transistor BJT como acoplador de
impedancias entre etapas de circuitos
electrnicos, en configuracin de colector
comn.
II. INTRODUCCIN
Aunque se ha mencionado que en su funcionamiento
los transistores Mosfet son superiores a los de unin
bipolar BJT, cabe resaltar el hecho de que el transistor
BJT es capaz de amplificar tensin y corriente en
cantidades superiores a la del Mosfet.
La configuracin particular de cada uno de los
amplificadores relaciona su funcin primordial y la
manera en que amplifica potencia ya sea en forma de
tensin o en forma de corriente.
III. MATERIALES
1. 1 Osciloscopio de dos canales.
2. 1 Generador de funciones
3. 1 Multmetros Fluke.
4. Resistencias de [W]
5. 1 Fuente Dual.
6. 3 Sondas.
7. Conectores Caimn-Caimn, Banana-Caimn.
8. Transistores BJT NPN referencia LM3086.
IV. MARCO TERICO
Luego de conocer en detalle el funcionamiento de los
transistores de unin bipolar, es necesario echar un
vistazo a los principales factores que influyen en su
comportamiento como amplificador. Al igual que en
los transistores de efecto de campo, existe un valor de
transconductancia relacionado para la interpretacin
del circuito equivalente de un amplificador con BJT, de
esta manera se puede decir que la transconductancia m
est dada por:
=
[2]
Como se puede observar, ste valor es directamente
proporcional a la corriente de polarizacin del colector,
por lo que para su interpretacin es necesario reconocer
este valor. En la figura 1 se puede apreciar una
interpretacin grfica para gm, en la que se muestra que
es equivalente a la pendiente de la funcin Ic Vs VBE
del circuito.
Daniel Felipe Chaparro Arce, Cod 2262208
El transistor de Unin Bipolar BJT como amplificador de pequea seal
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Figura 1: Interpretacin grfica de la transconductancia del BJT [1].
Como se puede apreciar en la grfica de la figura 1, la
grfica es muy similar a la de un diodo comn. Este
fenmeno se debe a la interaccin entra las uniones de
los semiconductores dentro del transistor, dicho de otro
modo es correcto afirmar que.
= 0,7 [2]
Otro factor importante en la interpretacin del circuito
es el conocimiento acerca de la resistencia presente en
pequea seal entre la base y el emisor del circuito, a
esta resistencia se le denomina R y viene dada por.
R =
=
[2]
De esta manera, se puede deducir, con los
conocimientos adquiridos con los transistores de efecto
de campo, que para representar el transistor dentro de
un circuito equivalente es necesaria una fuente
dependiente de corriente representada por gmVBE, por
lo que el circuito equivalente del transistor sera el
descrito en la figura 2 [1].
Figura 2: Circuito equivalente de un transistor BJT [1].
Con esto, es posible determinar los diversos circuitos
equivalentes de las configuraciones descritas en la gua
de laboratorio y los que sean propuestos a travs del
trabajo individual y grupal.
V. PROCEDIMIENTO
1. Amplificador de pequea seal en
configuracin de emisor comn.
Para comenzar el laboratorio, se procedi a realizar el
montaje del circuito propuesto en la figura 3; teniendo
en cuenta una ganancia Av=5 con respecto a la salida
del generador, RL=10K, Ic=10mA y una seal de entrada de 200mV a 500Hz. Debido a que la seal
proveniente del generador no cumple la condicin de
pequea seal se procedi a realizar un divisor de
tensin con la resistencia de 40K tal y como se puede observar en la simulacin de la figura 4.
Los valores del montaje se realizaron con los datos
sugeridos en la gua y gracias al circuito equivalente,
donde la tensin de salida es:
= (||) Con sta frmula se puede vislumbrar que la tensin de
salida est en contrafase con la de entrada, verificado
en las figuras 5 y 6. A partir de esto, se dieron valores
a algunas resistencias, lo que facilit el clculo de los
dems valores que se pueden vislumbrar en la
simulacin de la figura 4.
Figura 3: Circuito emisor comn [4].
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Figura 4: Simulacin circuito emisor comn [4].
Durante el diseo del amplificador, se us el valor de
beta (B) obtenido en la prctica anterior,
correspondiente a B=112. Al realizarlo y normalizarlo
se perdi ganancia; la esperada era de 50 con respecto
a la salida del divisor de tensin paro como se puede
constatar en la simulacin de la figura *, la ganancia
fue de 2.3 con respecto a la seal de entrada y de 32,2
con respecto al divisor de tensin. An as, por
cuestiones de conexin en la prctica se obtuvo una
ganancia de 16.2 con respecto al divisor de tensin,
como se puede apreciar en la figura 4.
Por otro lado, se procedi a verificar la ganancia de
corriente con los valores de tensin e impedancia de
entrada y salida, por lo que segn la simulacin:
=
=
460/(10||220)
200/(40 + (68||10))= 0.42
Por otro lado, en la prctica se tuvo que:
=
=
324/(10||120)
200/(40 + (68||10))= 0.54
Figura 5: Datos obtenidos en simulacin.
Figura 6: Datos obtenidos en laboratorio
Luego de obtener la grfica respectiva se procedi a
modificar la frecuencia de la seal de entrada en 10
veces de cada medicin visualizando la curva de
transferencia, al realizar este procedimiento se
obtuvieron las funciones de las figuras 7,8,9,10 y 11.
Como se puede observar, las pendientes de las grficas
son muy similares lo que indica que la ganancia del
circuito no se ve afectada por los cambios de
frecuencia; aun as, como se puede visualizar en la
figura *, la accin de los condensadores no puede filtrar
correctamente la seal porque sta es tiene una
frecuencia muy alta, por lo que las seales de entrada y
salida no se encuentran ni en fase, ni en contrafase.
Q2
2N2222A
R1
120
R2
510
R3
6K8
R4
10k
R5
10kC1
1000F
C2
100F
VCC
10V
XFG1
R6
40k
XSC1
A B
Ext Trig+
+
_
_ + _
C3
100F
Punta1
V: 8.86 V
V(p-p): 232 mV
V(rms): 8.85 V
V(dc): 8.85 V
I: 9.53 mA
I(p-p): 1.94 mA
I(rms): 9.57 mA
I(cd): 9.55 mA
Frec.: 500 Hz
Punta3
V: 4.91 V
V(p-p): 631 uV
V(rms): 4.91 V
V(dc): 4.91 V
I: 9.63 mA
I(p-p): 1.24 uA
I(rms): 9.63 mA
I(cd): 9.63 mA
Frec.: 498 Hz
Punta2
V: 1.95 mV
V(p-p): 232 mV
V(rms): 82.1 mV
V(dc): -371 uV
I: 195 nA
I(p-p): 23.2 uA
I(rms): 8.21 uA
I(cd): -37.1 nA
Frec.: 500 Hz
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Figura 7: Curva de transferencia al variar la frecuencia
Figura 8: Curva de transferencia al variar la frecuencia
Figura 9: Curva de transferencia al variar la frecuencia
Figura 10: Curva de transferencia al variar la frecuencia
Figura 11: Curva de transferencia al variar la frecuencia
Para finalizar la caracterizacin de la configuracin
emisor comn se reemplaz la resistencia del colector
(120) por un potencimetro de 1K y se procedi a variar la resistencia. Al realizar este procedimiento, se
pueden observar los resultados de las figuras 12, 13 y
14, donde se evidencia que al aumentar el valor de la
resistencia, aumenta la impedancia de salida; lo que
provoca el aumento en la tensin de salida y por ende,
la ganancia del circuito. Esto ocurrir hasta que la
resistencia sea muy grande y provoque que el transistor
salga de la zona activa y entre a la zona de saturacin.
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Figura 12: Grfica al variar potencimetro
Figura 13: Grfica al variar potencimetro
Figura 14: Grfica al variar potencimetro
2. Amplificador BJT en configuracin colector
comn.
Para comenzar esta parte del laboratorio se procedi a
realizar el montaje propuesto de la figura 15. El diseo
del circuito, cuyos valores se encuentran en la
simulacin de la figura 16, se bas en una ganancia de
0,7, una resistencia de carga de 220 con una impedancia de entrada equivalente al doble de la de
salida del emisor comn (20K) y con una seal de entrada de 200mVp a una frecuencia de 500Hz y
teniendo en cuenta el punto ptimo de polarizacin.
Figura 15: Circuito Colector comn [4].
Figura 16: Simulacin circuito Colector comn.
Los clculos se realizaron suponiendo valores de
resistencias para R1 y RE segn el anlisis de ganancia
donde:
= +
1
+1
+1
+1
De all se puede deducir que la ganancia de tensin
mxima del circuito es de 1, por lo que el circuito
debera tener una ganancia en cuanto a corriente se
refiere.
Al igual que en el emisor comn, al normalizar los
valores de las resistencias se vio afectada la ganancia
del circuito; como se puede apreciar en la simulacin
Q2
2N2222A
R1
1k
R2
220
R3
22k
R4
100k
C1
470F
C2
100F
VCC
10V
XFG1
C3
100F
XSC1
A B
Ext Trig+
+
_
_ + _
R5
220
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de la figura 17 es de 0.74 y en el experimental, en la
figura 18 es de aproximadamente 0.68. Segn la
formula especificada anteriormente de la ganancia del
circuito, se puede vislumbrar que la seal de salida
estar en fase con la de entrada, siempre y cuando los
condensadores tengan la impedancia suficiente para
filtrar la seal respectiva.
Figura 16: Funcin obtenida en simulador.
Figura 17: Funcin obtenida en Laboratorio
Para obtener la ganancia de corriente Ai, se procedi a
realizar la siguiente operacin, teniendo en cuenta los
resultados simulados con los experimentales
respectivamente:
=
=
148/220
200/20= 67.273
=
=
136/220
200/20= 61.812
Como se puede observar en los datos obtenidos, a
diferencia del emisor comn que obtiene grandes
ganancias de tensin y perdidas en corriente, el colector
comn ofrece una gran ganancia en cuanto a corriente
se refiere. En otras palabras, se puede decir que sus
funcionamientos son inversos.
3. Amplificador BJT en configuracin
multietapa (amplificadores en cascada)
Para finalizar el laboratorio se procedi a realizar
el montaje propuesto por la gua, donde se
empalman los circuitos de emisor y colector comn
en cascada segn lo muestran las figuras 18 y 19.
Figura 18: Circuito en cascada [4].
Figura 19: Simulacin circuito Colector comn [4].
Luego de unir los dos circuitos en cascada, se
obtuvieron los resultados de las figuras 20 y 21 donde
muestran las funciones en simulador y en la prctica.
Q2
2N2222A
R1
120
R2
510
R3
6K8
R4
10k
C1
1000F
VCC
10V
XFG1
C3
100F
C6
100FR6
40k
Q1
2N2222A
R5
1k
R7
220
R8
22k
R9
100k
C2
470F
C4
100F
VCC
10V
XSC1
A B
Ext Trig+
+
_
_ + _
R10
220
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Figura 20: Grfica obtenida en laboratorio.
.
Figura 21: Grfica obtenida en simulador.
Las respectivas ganancias de tensin y corrientes
simuladas y experimentadas se tienen representadas
respectivamente por:
=
= 32.2 0.74 = 23.82
Simulado
=
= 16.2 0.68 = 11.02
Prctico
=
= 0.42 67.23 = 28.236
Simulado
=
= 0.54 61.82 = 33.38
Prctico
Como se puede vislumbrar, los datos experimentales
son muy similares a los tericos, teniendo as un buen
amplificador de potencia.
VI. PREGUNTAS SUGERIDAS
1. Qu parmetros de arranque tuvo que asumir para iniciar el diseo de amplificadores?
Como ya se ha mencionado en el informe, en
el caso del emisor comn se debieron asumir
los valores de Rc Y R1 teniendo en cuenta los
parmetros descritos para la gua. Por otro
lado, para el circuito del colector comn se
debieron asumir los valores de RE Y R1, todo
esto teniendo el beta encontrado en la prctica
anterior.
2. Describa cada una de las configuraciones amplificacin, en trminos nfasis en sus
ventajas, desventajas y posibles aplicaciones.
Como ya se ha mencionado, en el circuito del
emisor comn se observa que una seal de
entrada es amplificada en forma de tensin y
en la de colector comn en forma de corriente.
La potencia amplificada por ambos circuitos
hace que las desventajas de uno sean las
ventajas del otro, por lo que un amplificador
de potencia ptimo sera la unin de los dos.
Esto podra aplicarse en la amplificacin de
ondas de sonido en un parlante o en la
amplificacin de seales inalmbricas.
.
3. Qu funcin cumplen los condensadores y sus respectivos valores en las diferentes
configuraciones de amplificacin?
Los condensadores tienen como funcin filtrar
la seal; en ambas configuraciones el valor del
condensador conectado a la carga es el de
mayor valor porque de ste depende que la
seal de salida se encuentre en fase o en
contrafase con la de entrada dependiendo el
circuito.
4. Las impedancias de entrada/salida de los amplificadores pueden modificar la ganancia
del circuito cascada?, Cmo?
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Si, como se vislumbr al poner el
potencimetro en el circuito del emisor comn,
la ganancia de tensin aumentaba conforme el
valor de la resistencia hasta que entraba en
zona de saturacin. Dado esto si cambia la
impedancia de salida, la ganancia tambin
cambiar.
5. Cmo puede esta prctica ayudar al desarrollo de su proyecto de fin de semestre?
Analizando los resultados de la prctica de
laboratorio se pudo inferir que esta
configuracin en cascada podra ser bastante
til para la amplificacin del pulso cardiaco.
Es necesaria una amplificacin de tensin para
vislumbrar en el osciloscopio la seal de las
pulsaciones y una de corriente para la
conexin del parlante.
6. Qu puede concluir al hacer la variacin de la resistencia del colector en el montaje de la
figura 1?, en trminos de variacin de ganancia
e impedancias.
Como ya se ha hablado anteriormente, el
cambio de la resistencia en el colector del
circuito de emisor comn modifica la ganancia
en cuanto a tensin se refiere hasta que el
transistor entre en zona de saturacin o zona
de corte dependiendo en la magnitud de la
resistencia del componente.
7. A qu atribuye el hecho de que las ganancias no hayan sido exactas?
Es posible que las ganancias no hayan sido exactas
debido a la normalizacin en los valores de las
resistencias usadas durante el laboratorio.
VII. CONCLUSIONES
1. La ganancia que generan los transistores de
unin bipolar BJT son representativamente
mucho mayores a las del Mosfet, lo que podra
ayudar en gran medida a la implementacin en
circuitos como el relacionado al proyecto final.
2. La implementacin en cascada de los dos
circuitos propuestos para esta gua
proporcionan al determinado circuito una
ganancia de potencia muy grande, debida a que
cada uno de los circuitos se especializa en la
ganancia ya sea de tensin o de corriente.
3. Queda evidenciado que al usar frecuencias con
grandes amplitudes, el transistor no funcionar
correctamente y entrar en zona de saturacin.
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VIII. BIBLIOGRAFA
[1] A. Sedra and K. Smith, Microelectronic Circuits
Revised Edition, 5rd ed. New York, US: Oxford
University Press, Inc. 2007.
[2] Muhammad H. Rashid. Circuitos
Microelectrnicos, anlisis y diseo. 2th Ed. raduccin,
Navarro Salas. US: Universidad de Florida,
International Thomson Editores. 2000.
[3] Chaparro A. Daniel F. Notas de clase Electrnica
Anloga I. Profesor Pablo Rodrguez. Universidad
Nacional de Colombia. Bogot, Colombia. 2014 III.
[4] Tarquino Jonnathan Steve. El transistor BJT como
amplificador de pequea seal. Bogot, Colombia:
Universidad Nacional de Colombia, Electrnica
anloga 1. 2014 II.