BJT como amplificador
BJT como amplificador
5.1 5.1 Obj Objetiv etivo o de de la la pr prác ácti tica ca En esta práctica el alumno volverá a utilizar el transistor bipolar (BJT) como amplificador. La diferencia sobre la práctica anterior es que ahora el circuito presenta una resistencia en el emisor que modifica la polarización del circuito y también su ganancia. La principal ventaja que presenta esta configuración es que hace al circuito amplificador mucho más estable frente a la temperatura y también hace que la dependencia de la ganancia con la el parámetro β del transistor sea mucho menor. El objetivo de la práctica será por tanto verificar estas afirmaciones mediante un análisis teórico del circuito, una verificación experimental en el laboratorio y un análisis mediante simulación SPICE.
5.2 5.2 Intr Introd oduc ucci ción ón teór teóric ica. a. En la Figura 9.1 se representa un circuito amplificador.
5.2.1 5.2.1
Cálcul Cálculo o del del punt punto o de de polar polarizac ización ión del circuit circuito o Para conseguir implementar un amplificador con un transistor BJT se deberá polarizar el BJT para que este opere en en su región activa de funcionamiento. funcionamiento. En el circuito de la Figura 9.1, el condensador C1 desacopla la componente de continua de la señal de entrada del circuito de polarización del transistor. El circuito de polarización es similar al estudi estudiado ado en teoría teoría,, y las relacio relaciones nes que modela modelan n el punto punto de operac operación ión o punto punto de polarización del circuito serán: serán:
V B =V cc
1
R1
Ecuación [9.1]
R1 +R2
V B≈V BE +I C R E
Ecuación [9.2]
V cc =I C R R E +R C +V CE
Ecuación [9.3]
BJT como amplificador
donde IC y VCE representan la corriente de colector y tensión colector - emisor del transistor bipolar, respectivamente. respectivamente.
R V
cc
=12v
C
R
1
c
+
1
Q V V
R
e
V
C E
V
B E
s
2
R V
1
e
bb
-
Figura 9.1. Circuito amplificador con transistor bipolar.
5.2.2 5.2.2
Cálcul Cálculo o de la ganan ganancia cia en tens tensión ión del amplifi amplificad cador or Para el cálculo de la ganancia en tensión del amplificador se habrá de analizar el circuito de pequeña señal utilizando para el transistor su circuito equivalente simplificado. El circuito de pequeña señal correspondiente correspondiente al amplificador en en estudio se muestra en la Figura Figura 9.2. En el análisis teórico del circuito de pequeña señal no se tendrá en cuenta la dependencia de la gana gananc ncia ia en tens tensió ión n con con la frec frecue uenc ncia ia,, y por por tant tanto, o, las las rela relaci cion ones es que que mode modela lan n el comportamiento del circuito serán:
A v=
V s
Ecuación [9.4]
V e
V s =−h fe i b R R C
[
Ecuación [9.5]
]
V e =i b h ie h fe 1 R E A v=−
2
h fe RC hie h fe 1 R E
Ecuación [9.6] Ecuación [9.7]
BJT como amplificador
ib +
+
h V
R
e
R
1
ib h
ie
f e
R
2
R
V
c
s
e
-
-
Figura 9.2. Circuito de pequeña señal del amplificador.. Siendo hie y hfe los correspondientes parámetros parámetros h del transistor BJT. El signo menos que aparece en la expresión de la ganancia refleja que la señal de salida está invertida con respecto a la señal de entrada.
5.3 5.3 Reali ealiza zaci ción ón pr prác ácti tica ca 5.3.1 5.3.1
Anális Análisis is teóric teórico o del del circu circuito ito amplific amplificado adorr con con BJT BJT Consid Considér érese ese el circui circuito to de la Figura Figura 9.1 con los valore valoress de los componen componentes tes que se dan a continuación: R1=10KΩ R2=1KΩ RC=1.8KΩ
Q1: 2N2222 C1=1µF RE=100Ω Tabla 9-1. Componentes del circuito amplificador.
A. Cálculo del punto de polarización del circuito Empleand Empleando o las expresiones expresiones dadas en la introducción introducción teórica teórica de la práctica práctica calcule el punto de polarización del BJT (el BJT se encuentra en activa). Determine la tensión en todos los nodos del circuito así como las corrientes que circulan por las distintas ramas (corriente de colector, IC, corriente de base, IB, corrientes que atraviesan las resistencias R 1 y R 2, I 1 e I 2, respectivamente). respectivamente). Rellene la siguiente tabla: Vcc
12 V
Ib
I1
Vce
6V
Ic
I2
Vbe
Ie
Tabla 9-2. Valores obtenidos
B.
Cálculo de la ganancia en tensión del amplificador Calcule la ganancia en tensión del amplificador de pequeña señal empleando para ello las expresiones que se dan en la introducción teórica de la práctica, y considerando unos valores de hfe≅β≅200 y hie≅1K Ω.
3
BJT como amplificador
Av [u.n.]= Av [dB]=
Tabla 9-3. Ganancia del amplificador Reflej Reflejee en la memor memoria ia de la prácti práctica ca los cálcu cálculos los reali realizad zados os y expre exprese se la ganan ganancia cia del amplificador tanto en unidades naturales como en unidades logarítmicas.
5.3.2 5.3.2
Anális Análisis is experi experiment mental al del del circui circuito to amplifi amplificad cador or con BJT
A. Polarización del circuito amplificador Utilizando la placa de circuito impreso que se ha proporcionado con el material de laboratorio, monte el circuito de la Figura 9.1 y aplique una alimentación de 12V. Mida la tensión en la base del BJT, en el emisor, colector y base del BJT. Compare los resultados experimentales con los resultados teóricos.
B.
Ganancia en tensión de pequeña señal del circuito amplificador Una vez que se ha polarizado el circuito correctamente se pasa a calcular la ganancia en tensión de pequeña señal del circuito amplificador. Para ello, excite el circuito con una señal de entrada proporcionada por el Generador Generador de funciones, Ve(t), de forma senoidal, frecuencia igual a 8KHz, y amplitud necesaria para obtener a la salida una señal, Vs(t), similar pero con amplitud igual a 5V pico-pico. Visualice en el canal I del osciloscopio la señal a la entrada del circuito y en el canal II la señal de salida. Podrá observarse como la señal de salida está invertida respecto de la señal de entrada como ya se predijo en el análisis teórico. En la memoria de la práctica deberá de representar la medida realizada con el osciloscopio, indicando la base de tiempos y el factor de deflexión utilizado para cada canal. Cambiando la frecuencia de señal de entrada que proporciona el generador de funciones obtenga los resultados necesarios para completar la Tabla 9-4. A partir de los resultados obtenidos represente gráficamente en la memoria de la práctica la gráfica que representa la ganancia en tensión en unidades naturales en función de la frecuencia.
ENTRADA f [Hz]
4
SALIDA Ae[V]
As[V]
50
5
100
5
170
5
220
5
350
5
600
5
900
5
1.2K
5
CARACTERÍSTICA DEL AMPLIFICADOR Av=vs/ve [u.n]
Av=20log(vs/ve) [dB]
Desfase: φs-φe
BJT como amplificador
2.1K
5
3.2K
5
5.1K
5
8K
5
12K
5
20K
5
32K
5
50K
5
80K
5
Tabla 9-4. Resultados para la caracterización experimental de la ganancia en tensión de pequeña señal del circuito amplificador.
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