Download circuito amplificador en emisor común con polarización fija

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PRACTICA 1
CIRCUITO AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN CON POLARIZACIÓN FIJA
Objetivo:
Comprender el comportamiento de un transistor en un amplificador. Diseñando y comprobando las
diferentes configuraciones de este para su mejor operación.
Además de comprobar el funcionamiento de un circuito amplificador acoplado con capacitares,
aplicándole una señal de entrada.
Introducción Teórica
Para poder utilizar un transistor BJT como un amplificador es necesario primeramente polarizarlo,
de manera que su punto de operación se ubique en la región activa de sus curvas características. La
razón usual de esta polarización es encender el dispositivo, y en particular, ponerlo a operar en la
región de su característica en la que funciona con mayor linealidad. El punto en el cual se alcanzan
la corriente de colecto (IC) y el voltaje de colector-emisor (VCE) deseados, se conoce como punto
de operación o punto “Q”.
Existen varias configuraciones de polarización para transistores BJT, siendo las más comunes la
configuración de polarización fija, la de estabilización en el emisor, con retroalimentación de voltaje
colector a base y la independiente de b.
A partir de tener las curvas características del dispositivo se pueden conocer la corriente de colector
máxima (ICmax) y el voltaje colector-emisor máximo (VCEmax o VCC), estos datos sirven como
punto de partida para encontrar los valores de las resistencias a utilizar en la Base y en el Colector.
Para ello se aplican tres criterios de diseño:
1º. La corriente de colector ICQ se elige de la mitad del valor de la ICmax.
2º. El voltaje colector-emisor VCEQ se elige de la mitad del valor del VCEmax .
3º. El voltaje en el emisor VE, se elige de un 1/10 del valor del VCC.
A partir de estos tres criterios se estará ubicando al punto de operación “Q” a la mitad
aproximadamente, de la región activa.
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Para que una señal sea amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna. No tiene sentido
amplificar una señal de corriente continua, por que ésta no lleva ninguna información.
En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y
continua). La alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de
operación del amplificador
Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada.
En el diagrama se ve que la base del transistor está conectada a dos resistencias (R1 y R2). Estas dos
resistencias forman un divisor de tensión que permite tener en la base del transistor una tensión
necesaria para establecer la corriente de polarización de la base.
El punto de operación en corriente continua está sobre una línea de carga dibujada en la familia de
curvas de el transistor. Esta línea esta determinada por fórmulas que se muestran. Hay dos casos
extremos, cuando el transistor está en saturación (Icmax.) y cuando está en corte (Ic= 0).
Si se modifica R1 y/o R2 el punto de operación se modificará para arriba o para abajo en la curva
pudiendo haber distorsión.
Si la señal de entrada (Vin) es muy grande, se recortarán los picos positivos y negativos de la señal
en entrada (Vout)
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Procedimiento:
1.- Diseñar un ccircuito amplificador en emisor común con polarización fija usando un transistor
2N2222 y los siguientes datos:
Vcc= 12 V
Rc= 500ohms.
Re=220ohms
ICQ= 12mA
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Pero se usara una resistencia de 560ohms ya que hay que tomar en cuenta los valores comerciales de
las resistencias. Pero este cambio nos moverá el punto Q, por lo que se harán los siguientes
cálculos para encontrar ahora donde se ubicara nuestro punto Q.
Por lo tanto ahora nuestro punto Q esta en (10.7mA, 6V). Con esto observamos que solo cambia
la corriente ya que el voltaje se mantiene constante.
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Ahora podemos calcular:
Y consideremos a
como:
Por lo tanto podemos calcular ahora nuestra RB:
Un valor comercial de esta resistencia es:
Con estos datos podemos construir nuestro circuito:
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2.- Teniendo nuestros valores calculados comenzamos a medir. Medir el punto de operación en
reposo para obtener el valor esperad, recordemos que se hizo una simulación para tener una idea de
lo que debía de salir en el laboratorio.
Los datos medidos en el laboratorio de este circuito son:
Parámetro
IC
Valor Calculado
10.7mA
Valor Simulado
Valor Medido
8.3mA
9.2mA
VCE
6V
7.3V
6.7V
Recordemos que los valores varían ya que dependen mucho de la con la que trabaje nuestro
transistor físico y nuestro transistor dentro del simulador. Ya que los cálculos se realizaron con la
típica del transistor pero no todos los transistores trabajan con la misma aunque sean del mismo
tipo.
Estos son los resultados de nuestra RB, con la
a la cual trabaja nuestro transistor:
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=292
Y con esto podemos ahora obtener nuestra resistencia:
Comercialmente tenemos un valor de:
Este primer circuito fue un circuito polarizado sin carga, ni señal de entrada.
La diferencia entre estos datos que se obtuvieron es por la diferencia entre la
nos da la simulación y la de nuestro transistor.
del transistor que
Gráficamente podemos ver a nuestro punto Q:
3.- Al amplificador con transistor bipolar en emisor común con polarización fija se le agrega una
resistencia en el emisor, por lo tanto Vce cambia por lo y ahora la malla de entrada es:
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Se le agrego la resistencia en el emisor para observar el comportamiento de la corriente de
colector. Al hacer las mediciones tenemos los siguientes datos:
Parámetro
IC
Valor Calculado
10.7mA
Valor Simulado
Valor Medido
7.0mA
9.9mA
VCE
6V
6.8V
6.5V
Al poner la resistencia en el emisor lo que hicimos fue hacer mas estable el circuito para que el
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punto Q estuviera en el centro de nuestra recta, ya que la corriente disminuye y el voltaje aumenta
en el colector-emisor.
4.- Ahora se aplicara una señal senoidal al amplificador en emisor común con polarización fija, con
capacitores de acoplamiento. La señal será de 15mV a 1KHz. Y se le conectara un capacitor su
entrada y a su salida.
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El propósito de este circuito fue usarlo ya como un amplificador, donde se pudo ver amplificada
una señal determinada, es por eso que se le agregaron capacitores en la entrada y salida, para poder
acoplar la señal.
5.- Repetir los pasos 1-4 para un circuito amplificador con transistor bipolar en emisor
común polarizado por retroalimentación
6.- Primero se realizara el diseño del circuito amplificador en emisor común polarizado por
retroalimentación. Para esto tenemos que la ICQ se elige de la mitad del valor de
ICmax, y que el VCEQ se elige a la mitad del valor de VCEmax.
Con esto tenemos que el punto Q esta a la mitad de la region activa.
Q ( IcQ , VceQ ) = ( 12 mA , 6 V )
Con lo que se tiene decimos que:
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Ic sat. = 2 IcQ = 2 (12mA) = 24mA
Vce corte = 2 VceQ = 2 (6 v) = 12v
Ahora se mide la β de nuestro transistor, ya la teníamos en la parte de arriba por lo que sabemos
que es de β=292.
Obtenemos la Ic:
IC = β IB
Con estos datos ya podemos obtener los valores de las resistencias:
Rc = 510 Ω
Sabemos que:
Re = 220 Ω
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Observamos que Ic es aproximadamente igual a Ie, por lo tanto:
Nuestro diseño esta completo por lo que ahora se harán las mediciones y la simulación
correspondiente.
7.- Ahora solo se medirán las características del transistor sin ninguna carga, sin de entrada ni salida.
Los valores obtenidos en las mediciones son comparamos con los valores simulados.
Parámetro
IC
Valor Calculado
11.98mA
Valor Simulado
Valor Medido
10.24mA
12.67mA
VCE
5.89V
6.77V
6.01V
Recordemos que las variaciones en las mediciones dependen mucho de la β de nuestro transistor.
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8.-Ahora al amplificador con transistor bipolar en emisor común con polarización por
retroalimentación, agreguémosle una resistencia en el emisor.
Esto en el objetivo de evaluar la estabilidad del circuito, en su punto de operación,
Al hacer las mediciones encontramos que:
Parámetro
IC
Valor Calculado
11.98mA
Valor Simulado
Valor Medido
8.51mA
10.39mA
VCE
5.89V
7.56V
7.32V
Al conectar la resistencia en el emisor se estabiliza el punto Q, y se observa que la corriente
disminuyo y que aumento el voltaje de colector-emisor, con lo cual el punto de operación esta mas
cerca del centro en la recta de carga.
9.- Por ultimo hay que aplicar una señal a la entrada del amplificador, y hay que acoplarlo por
medio de capacitores a la entrada y a la salida. Esto es por que se va a ampliar una señal
determinada, es por eso que le agregamos los capacitores. Esta señal de entrada es de 1KHz de
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frecuencia y con una amplitud de 15mV.
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Conclusión:
Rosa Itzel Santana Guzmán
Podemos decir que de las dos configuraciones estudiadas, la configuración por retroalimentación
nos da una mayor estabilidad del punto Q, con lo que podemos decir que es más estable a
comparación del de polarizaciòn fija. El saber cual es la configuración mas estable es para saber si el
funcionamiento del amplificador será el óptimo, y para saber esto, hay que tener en cuenta los
cambios que pueda presentar la β dentro del transistor. La retroalimentación provoca que la salida
sea controlada a la entrada y se vera como un aumento en la corriente del emisor que produce una
disminución de corriente de la base, a este tipo de retroalimentación se le conoce como
retroalimentación negativa, la cual es muy útil para estabilizar a los circuitos electrónicos.
Esto se concluyo ya que se analizo el diseño y el funcionamiento de un amplificador en emisor
común con polarizaciòn fija y de retroalimentación.
Cuestionario:
¿Cuál es la aplicación básica de un amplificador con transistores emisor común?
Posee ganancias de tensión y de corriente significativas con altas impedancia de entrada y salida. La
impedancia de entrada alta es deseable, mientras que la impedancia de salida alta tiene algunos problemas.
Obsérvese que a mayor impedancia de salida, menor es la corriente que se puede extraer del amplificador sin
que haya una caída significativa en la tensión de salida. En ese se utiliza más para amplificación de tensión.
Puede proporcionar una exclusión grande en la tensión de salida, que se convierte en la entrada de la
siguiente etapa del sistema.
¿Qué región es la más importante para que el transistor funcione como amplificador?
Es la región activa, en esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de
base (Ib), de β (ganancia de corriente de un amplificador) y de las resistencias que hayan conectadas en el
colector y emisor). Si el punto de operación Q se encuentra al centro de ésta región, se obtiene una buena
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amplificación de la señal.
¿Qué tipo de corriente está involucrada en un amplificador con transistores?
Se encuentran involucradas tanto la corriente continua como la corriente alterna, la alterna es la señal a
amplificar y la continua sirve como la otra para ubicar el punto de operación (Q) y para ubicarla más al
centro se tiene que hacer sobre la recta de la señal alterna pues es cuando trabaja la carga por los capacitores
que acoplan el circuito.
¿Cuál es la función del capacitor de bloqueo?
Se utiliza para bloquear la corriente continua que pudiera llegar de Vin. Este capacitor actúa como un
circuito abierto para la corriente continua y un corto circuito para la corriente alterna (la que se desea
amplificar).
¿Qué función tiene RE?
Aumenta la estabilidad del amplificador, pero tiene el gran inconveniente que es muy sensible a las
variaciones de temperatura por lo que podrá causar cambios en la corriente de base que a su vez causará
variaciones en la corriente de emisor, pues como ya sabemos Ic = β Ib. Esto causará una disminución en la
ganancia de corriente alterna.
¿Cómo se contrarresta dicha disminución en la ganancia de corriente alterna?
Para resolver el problema se pone en paralelo con RE un capacitor que funcionará como un corto circuito
para la corriente alterna y un circuito abierto para corriente continua, lo que nos permitirá un control sobre
el circuito que nos permitirá evitar variaciones graves en las ganancias de corriente y voltaje.
¿El punto Q es independiente de β?
No, el punto Q es dependiente de β como se observa en estas ecuaciones:
IC = β IB
y
VCE = VCC - β IB RC.
Además β es muy variable, depende de las condiciones de operación del circuito, de la temperatura y por si
fuera poco varía de un transistor a otro del mismo número.
Todos los amplificadores tienen cuatro características principales, cuales son:
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Zi = Vi / ii: Impedancia de entrada, es una medida de cómo el amplificador carga al circuito que le entrega
energía.
ZO = VO / iO Vi = 0: Impedancia de salida, es una medida de que tan bueno es el amplificador como
fuente de energía frente al circuito al cual se entrega energía.
AV = VO / Vi: Ganancia de voltaje sin carga, es una medida de cuanto amplifica el voltaje Vi generando un
voltaje VO.
Ai = iO / ii: Ganancia de corriente sin carga, es una medida de la amplificación de la corriente.
¿Por qué la corriente de base es el parámetro controlador?
Cuando se produce un aumento en polarización directa entre la base y el emisor, se genera una reducción de
la altura de la barrera de potencial y un aumento de la corriente mayoritaria a través de la unión. La mayoría
de los portadores que forman dicha corriente, se difunden a través de la delgada región de la base y son
atraídos hacia el colector. Por lo que el aumento de la corriente del colector es más o menos proporcional a
la variación de la corriente de base, por lo tanto, la corriente de base es el parámetro controlador.
¿Cuáles son las diferencias entre el amplificador emisor común y el emisor seguidor (colector común?
La salida del colector común se toma de emisor a tierra en vez de tomarla de colector a tierra, como en el
caso del emisor común. Este tipo de configuración para el amplificador se utiliza para obtener una ganancia
de corriente y ganancia de potencia. El emisor común tiene un defasamiento de 180° entre las tensiones de
base y colector. Esto es, conforme la señal de entrada aumenta de valor, la señal de salida disminuye. Por
otra parte, para un emisor seguidor o colector común, la señal de salida esta en fase con la señal de entrada.
El amplificador tiene una ganancia de tensión ligeramente menor que uno. Por otro lado, la ganancia de
corriente es significativamente mayor que uno.
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