TÍTULO DEL ARTÍCULO, EN NEGRILLA, LETRAS MAYÚSCULAS

Número de la práctica:2 – Grupo:2 – Fecha de Realización:30/09/13 – periodo 2013/03.
Informe de la Práctica 3: El Transistor BJT
Como Amplificador - Pequeña Señal
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.
.
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.
Número de la práctica:2 – Grupo:2 – Fecha de Realización:30/09/13 – periodo 2013/03.
Por medio del osciloscopio de la mesa de
trabajo, ante una entrada sinusoidal de 0.05, se
obtuvo una salida de 1,4V pico.
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
Figura 1: Configuración emisor común
Seguidor Emisor:
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
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
Número de la práctica:2 – Grupo:2 – Fecha de Realización:30/09/13 – periodo 2013/03.
común.
la salida del emisor 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.
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.
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:
Emisor común:
Seguidor
emisor-
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
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
𝑅𝑖𝑛
factor F. Este factor es 𝐹 = 𝑅𝑖𝑛+𝑅𝑜𝑢𝑡. 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
Número de la práctica:2 – Grupo:2 – Fecha de Realización:30/09/13 – periodo 2013/03.
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.
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
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:
Al simular circuito de la configuración emisor
común con ayuda de PSpice AD obtenemos la
siguiente gráfica
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.
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
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
Av1*Av2*F1*F2*F3=15,48=Avtotal.
será:
Esto está relativamente alejado del valor
experimental obtenido para la ganancia de la
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.
Número de la práctica:2 – Grupo:2 – Fecha de Realización:30/09/13 – periodo 2013/03.
BIBLIOGRAFÍA
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Rashid
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“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