El Transistor BJT Como Amplificador - Pequeña Señal - EA2

Transcripción

Práctica 3– Grupo 02 – 03 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
Informe de la Práctica 3: El Transistor BJT
Como Amplificador - Pequeña Señal
Iforme: 4.2 (60%) Penalización entrega tardía
Práctica: 4.0 (40%)
Calificación: 4.1
Edy Catalina Sánchez López.
Laboratorio Electrónica Análoga II, Escuela de Mecatrónica, Facultad de Minas
Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín
Resumen – Con ésta práctica se pretende observar el comportamiento del transistor bipolar BJT como
amplificador, diseñando e implementando dos amplificadores básicos en mono-etapa (emisor y colector
común), también observar su acople en multi-etapa considerando las condiciones de operación de pequeña
señal. Se realizarán los análisis respectivos en DC y AC definiendo su punto Q de operación
Palabras Clave – Amplificación, Colector común, Emisor común, Pequeña señal, Punto de operación,
Transistor.
Abstract – This practice is intended to observe the behavior of
the bipolar transistor BJT as an amplifier, designing and
implementing two basic mono-phase amplifiers (emitter and
common collector), also observe their coupling in multistage
considering the conditions of small-signal operation. Analyzes
will be carried out in DC and AC defining its operating point Q.
Index Terms – Amplification, Common Collector, Common
Emitter, Small Signal, Operating Point, Transistor.
Si la intensidad de base rebasa el punto de saturación la
intensidad de colector no puede seguirla y la señal de salida se
ve recortada.
Si la intensidad de base se anula también lo hace la de
colector, recortando la señal de salida por el otro extremo.
Es importante pues, que la polarización determine el punto de
trabajo en la zona media de la recta de carga para evitar así
recortes en la señal de salida. Aun así, la amplitud máxima de
la señal de entrada quedará limitada por los puntos de corte y
saturación, si no queremos recortes en la salida.
I. INTRODUCIÓN
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor
que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador
o rectificador.
Para ser utilizado como amplificador, el punto de trabajo debe
situarse aproximadamente en el centro de la recta de carga
debido a que si se desplaza a la zona de saturación la
intensidad de colector se hace máxima y deja de responder a
los incrementos de intensidad de base y si se desplaza a la
zona de corte la intensidad de colector se hace cero y el
transistor no conduce.
Entre el corte y la saturación, el transistor funciona como
amplificador, ya que, a cada intensidad de base (del orden de
microamperios) corresponde una intensidad de colector
amplificada (del orden de miliamperios).
Si en la entrada del circuito provocamos mediante una señal
exterior un aumento de intensidad de base, se produce un
aumento de intensidad de colector y lo mismo si disminuye.
Las señales aplicadas a la base se ven así reflejadas en el
colector, pero amplificadas desde el orden de microamperios
al orden de miliamperios.
II. DESARROLLO
A. ProcedimientoTeórico
Inicialmente en la práctica se solicitó establecer el punto de
operación del transistor 2N2222. La simulación realizada para
la obtención del punto Q del transistor se muestra en la figura
1.
Gráfica 1. Curvas para hallar el punto Q y el β del 2N2222
Con este gráfico se procede a realizar el cálculo del β a
utilizar del transistor.
Los valores iniciales suministrados en la práctica son:
Vpolarización
14V
Icolector
Avemisor omún
130mA
80
Tabla 1: valores Iniciales
El circuito a analizar inicialmente en Emisor común es:
Gráfica 3. Circuito en colector común.
Su análisis en DC es igual que en emisor común, su variación
se produce cuando se hace el análisis en AC:
(17)
Gráfica 2. Circuito en emisor común.
(18)
Realizando los cálculos teóricos de los valores en DC se
obtiene:
Despejando la ecuación 18 e igualando a la 17 tenemos:
(1)
(2)
(
(3)
)
(
El punto Q estará definido entonces por [ 7V, 130mQ ].
Con el método directo tenemos entonces:
(4)
(
(5)
(
)
)
)
(19)
(6)
(7)
(20)
(8)
(9)
B. Simulación
(10)
El análisis es igual en las configuraciones Emisor común y
Colector común.
Al momento de realizar la simulación de los circuitos
anteriores se encontró lo siguiente:
1.
Emisor común:
Su análisis en AC es:
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
|
|
(16)
El circuito siguiente a analizar en Colector común es:
Gráfica 4. Simulación emisor común
2.
Colector común:
1.
Emisor común:
Gráfica 5. Simulación Colector común.
3.
Conexión en cascada Emisor - Colector común:
Gráfica 8. Montaje Emisor común.
Aumentando la frecuencia tenemos:
A 1 KHz: la salida tiene una escala doble.
Gráfica 6. Circuito cascada emisor – colector común.
Gráfica 9. Emisor común a 1KHz.
Gráfica 7. Simulación cascada emisor – colector común.
C. Montaje.
Al momento de realizar el montaje se debe tener en cuenta
que el generador de onda nos permite variar la frecuencia y la
amplitud del voltaje para alimentar la entrada, pero el
osciloscopio no permite visualizar voltajes elevados de forma
correcta además el dispositivo se satura fácil, por lo que el
generador de onda se manipula para una entrada de 0.100V.
III. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Es necesario tener en cuenta que al momento del montaje con
los valores de las resistencias teoricos no brindaba una buena
señal, por eso fue necesario cambiarlos, por sugerencia de
Mario Giraldo se buscó una Requivalente de 1,4k para el
divisor de tensión obteniendo los valores de:
Gráfica 14. Colector común.
A 160 KHz: la salida tiene una escala doble, de 120KHz a
160KHz se estabiliza la salida amplificada.
El colector común se comporta como un seguidor.
IV. COMPARACIÓN DE RESULTADOS Y ANÁLISIS DE ERROR
Para el Emisor común:
El comportamiento tanto de la simulación como del
montaje fueron resultados similares, se realizó el diseño para
una amplificación de 80 pero tanto experimentalmente como
en la simulación la amplificación fue de 8.
En cuanto al funcionamiento del circuito se efectuó la
manipulación de las frecuencias para ver su comportamiento
tanto en la zona activa como en la zona de saturación.
Para el circuito en cascada podemos observar que en la
simulación se nos incrementa en 2V el voltaje de salida, pero
esto se debe a que la polarización del transistor y a su
conexión en divisor de tensión entrega este voltaje. Pero se
puede observar que la ganancia de salida es cercana a 8.
A 3,8 MHz: la salida se disminuye nuevamente.
Si hacemos un análisis de Fourier de los circuitos antes
descritos encontramos:
Gráfica 15. Fourier para Emisor común.
Gráfica 13. Emisor común a 3,8MHz.
2.
Colector común:
Gráfica 16. Fourier para Colector común.






Gráfica 13. Emisor común a 3,8MHz.
Gráfica 14. Colector común.
Gráfica 15. Fourier para Emisor común.
Gráfica 16. Fourier para Colector común.
Gráfica 17. Fourier para Emisor - Colector común.
B. Tablas
 Tabla 1: valores Iniciales.
Gráfica 15. Fourier para Emisor - Colector común.
V. CONCLUSIONES
 Podemos concluír que en esta práctica profundizamos el
conocimiento de la amplificación, determinando el punto
de operación y las impedancias de entrada y salida, con lo
cual observamos evidentemente que no es posible obtener
una amplificación sin una adecuada polarización DC.
 Se puede decir que al trabajar el transistor BJT en región
activa aproximadamente como un dispositivo lineal
permite separar el análisis en AC y DC con lo cual la
manipulación del circuito y de las ecuaciones se llegan a
resultados más favorables para el diseño.
 Concluimos también que en la configuración emisor
común se obtienen elevadas ganancias de tensión y
corriente, haciéndolo el circuito ideal para amplificación
de pequeñas señales.
 Se encuentra que cuando se realiza el diseño del circuito es
conveniente que el punto Q esté situado en el centro de la
recta de carga y que la ganancia no sea excesivamente alta
para dar estabilidad al circuito y evitar distorsiones
respectivamente.
 Se puede observar que un circuito conectado en la opción
de colector común se comporta como un seguidor, no
presenta amplificación a su salida.
 Se concluye que se pueden presentar errores en las
mediciones debido a que los valores teóricos de los
elementos pueden no coincidir con los reales (se hace
necesario aproximarlos a un valor superior o inferior).
C. Ecuaciones.
(1)
Ecuación de VCEQ.
(2)
Ecuación de β.
(3)
Ecuación de IEQ.
(4)
Ecuación de VE.
(5)
Ecuación de RE.
(6)
Ecuación de VRC.
(7)
Ecuación de RC.
(8)
Ecuación de VB.
(9)
Ecuación de R1.
(10)
Ecuación de R2.
(11)
Ecuación de RΠ.
(12)
Ecuación de gm.
(13)
Ecuación de ro.
(14)
Ecuación de Zi.
(15)
Ecuación de Zo.
(16)
Ecuación de RL.
(17)
Ecuación de IB.
(18)
Ecuación de circuito AC.
(19)
Ecuación de re.
(20)
Ecuación de Ganancia de colector común.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
Gráficos, Tablas y Ecuaciones
A. Gráficas.
 Gráfica 1. Curvas para hallar el punto Q y el β del
2N2222.
 Gráfica 2. Circuito en emisor común.
 Gráfica 3. Circuito en colector común.
 Gráfica 4. Simulación Emisor común.
 Gráfica 5. Simulación Colector común.
 Gráfica 6. Circuito cascada emisor – colector común.
 Gráfica 7. Simulación cascada emisor – colector común.
 Gráfica 8. Montaje Emisor común.
 Gráfica 9. Emisor común a 1KHz.
Motorola. 2N2222 Datasheet, Transistor.
URL: http://alltransistors.com/es/transistor.php?transistor=1773
El transistor Bipolar.
URL: http://jarriako.es/Temas_ec/Eca_08a.htm
El transistor bipolar com amplificador.
URL
http://www.iuma.ulpgc.es/~roberto/asignaturas/EI/transparencias/EI_no
ciones_basicas_transistores.pdf
Fundamentos de electronica analógica
URL
http://books.google.com.co/books?id=JEcgicCG8n8C&pg=PA87&lpg=
PA87&dq=simulacion+emisor+comun+como+amplificador&source=bl
&ots=QvJTtyVjBv&sig=GU43RI4-BIYVwGN4HyX-oTzyTv8&hl=es419&sa=X&ei=f4hTUsOBMoXQ8wT9yIGYCg&ved=0CEIQ6AEwBA
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Edy Catalina Sánchez López: 43272061, grupo 2, Ingeniería
de control.

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