Diseño, medición y simulación de amplificador monoetapa

Seminario de Dispositivos Semiconductores
www.fi.uba.ar/materias/6648DS
2do Cuatrimestre de 2008
TP Nº3 Diseño y construcción de un mini-amplificador de audio
Condiciones del trabajo:
o Grupos de dos o tres estudiantes.
o Vencimiento de la entrega 10/12.
o Plazo de corrección de 10 días, y en caso de ser necesario se devolverá para ser
corregido una única vez, con un plazo de re-entrega máximo de 10 días.
o El trabajo deberá ser claro, conciso y correctamente redactado.
o Los gráficos y tablas deberán llevar títulos y estar numerados (Por ejemplo: Fig. 1)
o El trabajo completo, incluyendo la carátula o primera página, deberá tener 10 páginas o
menos, y debe utilizarse tipografía Arial 10.
o No es necesaria una carátula en una hoja aparte: en la primera página, además del
nombre de los autores, los datos del curso y el resumen, puede presentarse también
parte de los contenidos del trabajo.
Objetivos del trabajo:
o
o
Realizar el diseño y construcción de un mini-amplificador de audio empleando para ello
los amplificadores monoetapa vistos en clase.
Comparar los resultados obtenidos en forma experimental con los obtenidos mediante
PSPICE y mediante los cálculos teóricos.
Problema a resolver:
o
Dado un micrófono de bobina móvil de 600 Ohm, tal que a circuito abierto genera una
tensión de salida típica de 50mVpp, diseñar un amplificador que permita conectarlo a
un auricular de 32 Ohm con el fin de obtener sobre éste una potencia eléctrica eficaz
de 0.25mW.
a) Resumen del trabajo
El trabajo deberá estar encabezado por un breve resumen (menos de 100 palabras) que
detalle su contenido. El resumen debe ser escrito de forma tal de despertar el interés y la
curiosidad del lector por el trabajo.
b) Diseñar un amplificador que sea capaz de resolver el problema propuesto.
Los únicos requisitos de diseño son:
 Que el amplificador se alimente con una única fuente de +5Volt.
 Que el amplificador tenga capacitores de desacople en su entrada y salida.
 Que sólo incluya transistores BS107 y/o BC548C, y resistencias de tolerancia 5%.
 Que el circuito del amplificador no tenga realimentaciones.
Utilizar como modelo del micrófono un generador de 50mVpp y Rs de 600 Ohm como se
ilustra en la Fig. 1.
+5Volt
Rs
Vs
VOFF = 0
VAMPL = 50mVpp
FREQ = 1KHz
Vi
600 Ohm
Modelo_Microfono
Cin
Cout
?
Vo
Ri
RL
32 Ohm
Ro
Esquema_Amplificador
Modelo_Auricular
Fig. 1: Modelo del micrófono y del auricular, y esquema del amplificador a diseñar
 Presentar el diseño propuesto, justificando la solución adoptada y señalando qué otras
alternativas se consideraron y porqué motivos fueron descartadas.
 Especificar el/los valor/es a adoptar para los parámetros del transistor o de los
transistores, y los valores de los capacitores y resistores a utilizar en el circuito.
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Desarrollar el cálculo teórico de:
1.
2.
3.
4.
Los valores de tensiones y corrientes de polarización del circuito propuesto.
La resistencia Ri/Ro de entrada/salida del circuito amplificador.
La ganancia de tensión Av=Vi/Vo con/sin la carga conectada.
La tensión de salida Vo al conectar el micrófono, con/sin la carga conectada.
c) Simular mediante PSPICE el circuito diseñado en el punto b) a fin de verificar la factibilidad
del diseño propuesto.
 Justificar la elección de el/los modelos de PSPICE del transistor o transistores
utilizados en la simulación del circuito.
 Dibujar el/los circuitos utilizados en la simulación.
 De encontrarse conveniente pueden modificarse los valores de las resistencias o
capacitores calculados en el punto b), pero deben argumentarse los motivos que
justifican las modificaciones.
 Comparar mediante tablas que sean claras y compactas los resultados obtenidos para
los 4 items solicitados en b) con los obtenidos en las simulaciones, y de existir
diferencias analizar su posible explicación.
 El valor de Ri obtenerlo a partir de la variación de la tensión de salida del micrófono al
cargarlo con el amplificador. El valor de Ro obtenerlo a partir de la variación de la
tensión de salida del amplificador al cargarlo con el auricular.
d) Emulación experimental del micrófono y el auricular.
En las mediciones experimentales el micrófono y el auricular serán emulados mediante los
circuitos de la Fig. 2.
Goldstar FG-8002
(Salida 50 Ohm)
FREQ = 1KHz
(Pull -20dB)
R2
Va=50mVpp
Sólo para
medición de Rs
RL
(sin carga)
R1
560 Ohm
10 Ohm
Rx
Rs
Circuito Emulacion Microfono
33 Ohm
Circuito
Emulacion
Auricular
A partir de la variación de la tensión Va registrada antes y después de conectar distintas
resistencias de prueba Rx medir experimentalmente la resistencia de salida Rs del “circuito
de emulación del micrófono”, según se ilustra en la Fig. 2. Consignar en el informe el
resultado obtenido.
e) Armar en un protoboard el amplificador diseñado y obtener en forma experimental los
resultados de los 4 ítems solicitados en b.
 Dibujar el/los circuitos utilizados en las mediciones experimentales.
 De encontrarse conveniente pueden modificarse los valores de las resistencias o
capacitores obtenidos en el punto c), pero deben argumentarse los motivos que
justifican las modificaciones.
 Comparar mediante tablas que sean claras y compactas los resultados obtenidos para
los 4 items solicitados en b) con los obtenidos en las mediciones experimentales, y de
existir diferencias analizar su posible explicación.
 Repetir la medición de los 4 items solicitados para distintos transistores y evaluar si el
desempeño del circuito se modifica al cambiar el transistor. Si existen diferencias
cuantificarlas.
IMPORTANTE: el banco experimental a utilizar sólo dispondrá de una fuente de tensión
variable 6V-15V, un amperímetro (sin fusible), un voltímetro, un generador de funciones
Goldstar FG-8002 y un osciloscopio de dos canales. Debe traer los transistores, resistores,
capacitores, fusibles, etc. que vaya a utilizar en las mediciones.
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f) Conclusiones
Las conclusiones deben ser breves y conceptuales (no más de dos párrafos). Deben estar
focalizadas en los objetivos que se cumplieron en el trabajo y eventualmente en resultados
interesantes adicionales que se hubieran obtenido.
g) Contenidos adicionales optativos
Pueden agregarse contenidos adicionales que resulten de interés al grupo, siempre que el
trabajo completo no exceda las 10 páginas. Algunas sugerencias son:
o
Evaluar el desempeño del circuito a distintas temperaturas (utilizar para esto un
secador de pelo).
o
Analizar y comparar la distorsión armónica de las señales de entrada y salida del
amplificador. Emplear para ello la función FFT del “Math Menu” del osciloscopio digital
TDS1002 para medir experimentalmente la distorsión armónica presente en:
i. La señal de salida del circuito emulador de micrófono sin que éste esté
conectado al amplificador
ii. La señal de salida del circuito emulador de micrófono estando este conectado
al amplificador
iii. La señal de salida del amplificador sin que el circuito emulador del auricular
esté conectado al amplificador
iv. La señal de salida del amplificador una vez que esta conectado al amplificador
el circuito emulador del auricular.
Comparar estos resultados con los obtenidos en PSPICE mediante la función FFT.
o
Evaluar el desempeño del amplificador a otras frecuencias, por ejemplo, 10Hz, 10kHz,
100kHz, 1MHz, 10MHz.
o
Evaluar la linealidad del amplificador, analizando para ello la variación de la ganancia
de tensión Av en función de la amplitud de la señal de entrada, por ejemplo, Vs =
10mVpp, 25mVpp, 75mVpp, 100mVpp.
o
Diseñar un amplificador que permita obtener una potencia eléctrica eficaz de 16mW
sobre un parlante de 8 Ohm, a partir de la señal de un micrófono de bobina móvil de
600 Ohm. Los requisitos de diseño son los mismos que en el punto b).
o
Diseñar un amplificador que permita obtener una potencia eléctrica eficaz de 100mW
sobre un parlante de 8 Ohm, a partir de la señal de un micrófono de bobina móvil de
600 Ohm. Los requisitos de diseño son los mismos que en el punto b), excepto que
puede emplearse una fuente de +9V.
o
Realizar el diseño y fabricación del circuito impreso del amplificador diseñado,
utilizando conectores plug in para la entrada/salida del amplificador y una entrada para
transformador. Armar el circuito y colocarlo dentro de un gabinete.
o
Realizar el diseño y fabricación del circuito impreso del amplificador diseñado,
utilizando conectores plug in para la entrada/salida del amplificador; un transformador
220V/12V, un puente de diodos y un filtro RC para la obtención de la alimentación; una
llave de encendido/apago; y un LED indicador de encendido. Armar el circuito y
colocarlo dentro de un gabinete.
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