Amplificador Realimentado Torpoco Llacza Piero Daniel Facultad de Ingeniería Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Electrónica, Universidad Universidad Nacional de Ingeniería Ingeniería
[email protected]
Resumen- Este
documento es el Informe Previo para la experiencia de laboratorio N°2 del curso EE442 – Laboratorio Laboratorio de Electrónica II, sección M, ciclo 2014-1. La experiencia de laboratorio se realizará en el Laboratorio de Electrónica de la Universidad Nacional de Ingeniería y estará a cargo del Ing. Daniel Carbonel Olazabal.
I.
OBJETIVOS
La experiencia de laboratorio tiene como objetivo diseñar, simular, implementar y analizar un amplificador, con realimentación negativa usando una estructura diferencial en régimen lineal. II. TEORÍA Previo a la experiencia de laboratorio se requiere conocer los siguientes conceptos: A. Realimentación positiva positiva
La retroalimentación retroalimentación positiva es e s uno de los mecanismos de retroalimentación por el cual los efectos o salidas de un sistema causan efectos acumulativos a la entrada, en contraste con la realimentación negativa donde la salida causa efectos sustractivos a la entrada. Contrario a lo que se puede creer, la realimentación positiva, no siempre es deseable, ya que el adjetivo positivo, se refiere al mecanismo de funcionamiento, no al resultado. B. Realimentación negativa negativa
Fig. 1 Diagrama de bloques de un amplificador realimentado
En la Fig.1 se puede observar como la entrada se ve disminuida en , donde B es el factor de realimentación. Sabemos que la ganancia sin realimentación es . Entonces, para este diagrama de bloques de nuestro amplificador realimentado, la ganancia es:
( 1)
C. Amplificadores Amplificadores Realimentados Realimentados
En el diseño de los amplificadores, la retroalimentación se aplica para el efecto de una o más de las propiedades siguientes:
Realimentación Negativa (frecuentemente abreviado como NFB, del inglés Negative Feedback ) es un tipo de realimentación en el cual el sistema el sistema responde en una dirección 1) Desensibiliza la ganancia: Hace el valor de la ganancia opuesta a la señal. la señal. El El fer consiste en retro actuar sobre alguna menos sensible a las variaciones en el valor de los entrada del sistema una acción (fuerza, voltaje, etc.) componentes del circuito, tales como la variación de proporcional a la salida o resultado del sistema, de forma que temperatura. se invierte la dirección del cambio de la salida. Esto tiende a 2) Reduce la distorsión no lineal: Hace la salida estabilizar la salida, procurando que se mantenga en palabras, hace a la ganancia condiciones constantes. Esto da lugar a menudo a equilibrios proporcional a la entrada, en otras palabras, del valor del nivel de señal. (en sistemas físicos) o a homeostasis (en sistemas biológicos) sistemas biológicos) en los cuales el sistema tiende a volver a su punto de inicio 3) Reduce el efecto del ruido: Como señales eléctricas automáticamente. Normalmente se suele describir esta acción indeseables generadas por los componentes del circuito y de la como que "algo inhibe la cadena de formación anterior para interferencia externa. estabilizar algún compuesto cuyo nivel se ha elevado más de 4) Controla las impedancias de entrada y de salida: Al lo necesario". seleccionarse una topología de retroalimentación apropiada, puede hacerse que las impedancias de entrada y salida aumenten o disminuyan según se desee. Las topologías de los amplificadores realimentados realimentados son las siguientes:
Amplificador de tensión con realimentación de tensión en serie. Amplificador de transconductancia con realimentación de corriente en serie. Amplificador de corriente con realimentación de corriente en paralelo. Amplificador de transresistencia con realimentación de tensión en paralelo.
5) Extensión del ancho de banda del amplificador: Todas
las propiedades deseables anteriores se obtienen a expensas de una reducción de ganancia, y al factor de reducción de ganancia se le llama magnitud de retroalimentación, es el factor por el cual el circuito se desensibiliza, mediante el cual el ancho de banda se extiende, la impedancia de entrada de un amplificador de voltaje se incrementa y así sucesivamente. En resumen, la idea básica de retroalimentación negativa es cambiar la ganancia por otras propiedades deseables. III. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA
Fig. 2 Amplificador realimentado
La gráfica del voltaje de entrada es:
Se debe tomar en cuenta que para la experiencia de laboratorio se requerirá de: A. Equipos y materiales
Para la experiencia de laboratorio usaremos los siguientes materiales: Osciloscopio Generador de señales de baja frecuencia Multímetro digital Fuente doble DC
B. Componentes Electrónicos
Se deberá traer los siguientes componentes electrónicos para el día de la experiencia. 4 transistores 2N2222A 1 transistor 2N2907 Resistencias 4.7k (x2), 1k (x2), 330, 2.2k, 22k, 100 (x4), 220, 15k, 470. Capacitores 0.1μ (x2), 4.7μ (x2), 22μ, 33n.
Fig. 3 Voltaje en el punto 2
Como se puede observar en la Fig.3 la señal de 400mV y de 1kHz de amplitud se ve ligeramente atenuada en el punto 2 por la presencia del capacitor. Su amplitud es 372.5mV. La gráfica del voltaje de salida (voltaje ) en la misma gráfica es:
IV. SIMULACIONES El circuito que se va a utilizar en el laboratorio simulado en NI Multisim es el siguiente:
Fig. 4 Comparación del voltaje de salida con el voltaje de entrada.
En la Fig.4 se puede observar que el voltaje en el punto 10 (Canal B) tiene una amplitud de 4.055V esto quiere decir que la ganancia de voltaje del amplificador es de:
( 2)
demás frecuencias el sistema tiene una pequeña ganancia (aproximadamente 1dB).
Los voltajes DC del circuito en los puntos 3, 5, 18, 16, 10 y 8 se muestran en la Fig.5.
Fig. 7 Diagrama de Bode para V3/V2
Fig. 5 Voltajes en DC del amplificador
En la Fig.5 se puede apreciar que los voltajes en DC son los siguientes: TABLA I
VOLTAJES EN DC Punto 3 5 18 16 10
Voltaje DC (V) 10 9.71 10.7 -10.6 0.0104
8
-9.91
En la Tabla 1 se puede observar que el voltaje en 3 y 5 no es igual, esto se debe a que el punto 3 está conectado al siguiente amplificador. También se puede observar que debido a la simetría los transistores Q4 y Q5 tienen similares voltajes de emisor y finalmente se puede apreciar que el voltaje DC en la salida del amplificador es prácticamente 0. Los diagramas de Bode para el circuito en los puntos pedidos son:
Fig. 8 Cursor para Fig. 7
En la Fig.7 y en la Fig.8 se puede apreciar que la ganancia del amplificador diferencial es menor que en el punto 10, el ancho de banda es igual a aproximadamente 3MHz. La amplificación hasta este punto es aceptable.
Fig. 9 Diagrama de Bode para V13/V2
Fig. 10 Cursor para Fig. 9
Fig. 6 Diagrama de Bode para V6/V2
En la Fig.6 se observa que para frecuencias entre 10k y 10M aproximadamente el voltaje en 6 disminuye considerablemente con respecto al voltaje en 2 pero para las
En la Fig.9 y en la Fig.10 se puede apreciar la ganancia del amplificador realimentado después del acoplamiento de salida, se puede apreciar que la ganancia es muy similar a la ganancia en el punto 10 ya que el capacitor se comporta como circuito cerrado en la zona de amplificación. El ancho de banda es aproximadamente 20kHz.
Fig. 11 Diagrama de Bode para V10/V2
Fig. 15 Diagrama de Bode para G
Fig. 12 Cursor para Fig. 11
Fig. 16 Cursor para Fig. 15
En la Fig.11 y en la Fig.12 se puede observar la respuesta total del amplificador realimentado, el ancho de anda es aproximadamente 20kHz y la ganancia es aproximadamente 20dB.
Se observa que la amplificación es menor y que se comporta como un filtro pasa bajos, que es más o menos la respuesta de un amplificador diferencial sin realimentación. V. R ESPUESTAS A PREGUNTAS Las siguientes preguntas serán respondidas en base al fundamento teórico y en base a las simulaciones previas como introducción a la experiencia de laboratorio. A. Analice la estabilidad del sistema realimentado con 4 ceros y 4 polos en el lado de baja frecuencia correspondiente al amplificador usado en esta experiencia.
Sea la Función de Transferencia: Fig. 13 Diagrama de Bode para V18/V2
( 3)
Si se desea que el sistema sea estable es necesario que los polos estén ubicados en el semiplano izquierdo de las raíces. Ahora, los ceros de la función no deben atraer a los polos hacia el lado derecho de las raíces, pues el sistema se tornaría inestable. La estabilidad también depende de la ganancia deseada (k), pues a mayor ganancia el sistema se vuelve más inestable. Fig. 14 Cursor para Fig. 13
En la Fig.13 y en la Fig.14 se puede observar que en V18 hay amplificación de voltaje, aunque es menor que en V10 (aproximadamente 13dB), el ancho de banda es 2MHz, mucho más grande que el ancho de banda en V10, en este punto se sacrifica ganancia por ancho de banda. El diagrama de bode de G (circuito sin realimentación) es:
B. Obtenga la función de transferencia del amplificador para la zona de frecuencias medias.
En la Fig.11 se puede observar que para frecuencias media la función de transferencia es constante (ya que se encuentra dentro del ancho de banda), entonces la función de transferencia del amplificador es igual a la ganancia que según (2) es 10.8859. C. Diseñe el circuito ARGOS 2 bajo las premisas indicadas en la guía de laboratorio.
En la Fig.2 se puede ver al circuito diseñado que se implementará en la experiencia de laboratorio. D. Simule en NI Multisim el circuito ARGOS 2 e imprimir los diagramas de los parámetros indicados en la guía de laboratorio.
La simulación del circuito y todos los diagramas obtenidos se encuentran en la sección IV. E. Basado en la simulación obtenga los diagramas de Bode de G y G/(1+GH)
El diagrama de Bode de G/(1+GH) es el diagrama de Bode del circuito realimentado, este diagrama se encuentra en la Fig.11. El diagrama de Bode de G es el diagrama de Bode para el circuito sin realimentación se puede observar en la Fig.15. F. Compruebe que cada etapa de amplificación opere en régimen lineal y mínima distorsión armónica, usando los diagramas del punto D.
Como el amplificador trabaja con una frecuencia de 1kHz entonces se puede observar que en cada etapa del amplificador se está trabajando en régimen lineal y con mínima distorsión armónica ya que está frecuencia se encuentra dentro del ancho de banda en los diagramas de Bode (Ver Fig.6, Fig.7, Fig.9, Fig.11 y Fig.13). R EFERENCIAS [1] [2] [3]
Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith, Circuitos Microelectrónicos, 4ta edición, México, ed. Oxford University, 1999. Albert Paul Malvino, Principios de Electrónica, 6ta edición, Madrid, España, ed. McGraw-Hill/Interamericana de España, 2000. Katsuhiko Ogata, Ingeniería de Control Moderna, 5ta edición, Madrid, ed. Pearson Education, 2010.
