FISI 3144: Laboratorio de Electrónica II Departamento de Física y Electrónica Universidad Universidad de Puerto Rico en Humacao 2012-2013
Práctica 3: Amplificador BJT: Respuesta de baja frecuencia Objetivo: Estudiar los factores que contribuyen a la respuesta de baja frecuencia de un amplificador común emisor. Referencias: 1. Notas Notas y enla enlaces ces en en págin página a del del curso curso (http://mate.uprh.edu/~iramos/fise3144.html http://mate.uprh.edu/~iramos/fise3144.html). ). 2. Boylestad Boylestad and Nashelsky, Nashelsky, Electron Electronic ic Devices Devices and Circuit Circuit Theory, Theory, Prentice Prentice Hall, 7 th Ed., Secs. 8.3, 11.4-11.6. 1. Intr Introd oduc ucci ción ón La respuesta de frecuencia de un amplificar emisor común está determinada en parte por los capacitores de acoplamiento (entrada y salida) y el capacitor “bypass” en el emisor. El circuito consiste básicamente de una combinación de tres filtros pasa-alta (high pass) que permiten el paso de señales con frecuencias mayores a la frecuencia de filltro dominante. Las demás señales son atenuadas. La figura 2 muestra el circuito de un amplificador común emisor divisor de voltaje. Esta configuración tiene un divisor de voltaje en la entrada que determina el voltaje V B.
Figura 1. Amplificador Emisor Común
Los voltajes dc en la base y emisor están representados por las ecuaciones 1 y 2, respectivamente.
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Figura 3. Modelo Amplificador Común Emisor
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V B =(
R2 R 1+ R2
)V CC
(1)
V E =V B− V BE .
(2)
La corriente en el emisor puede calcularse utilizando la ecuación 3:
I E =
V E
(3)
R E + R E 1
2
La figura 2 muestra el modelo ac para el transistor BJT, donde r e puede representarse a temperatura ambiente como:
r e≈
25mV
I E
.
(4)
La expresión en la ecuación 4 es la misma que se usó al principio del curso para representar la resistencia equivalente de un diodo.
Figura 22. Modelo ac para BJT
Figura 3. Model amplificador común emisor
Usando el modelo ac, el circuito en la figura 1 se representa como en la figura 3. En éste los voltajes de entrada y de salida están dados por la ecuaciones 5 a 7:
V i = I b β r e+ I e R E =β r e I b+(β+1) I b R E 1
V i
= β ( r e + R E ) I b para β≫ 1
(5)
1
(6)
1
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V O = β R C ∥ R L I b .
(7)
Usando estos resultados y tomando un valor de β>>1 podemos representar la ganancia del amplificador como:
Av =
vo vi
=
β RC ∥ R L I b − R ∥ R = C L β ( r e + R E ) I b ( r e + R E ) 1
(8)
1
La figura 4 muestra la curva de respuesta de frecuencia para un amplificador con sus tres bandas de frecuencia (baja, media y alta). El rango de frecuencias para las cuáles la ganancia es relativamente constante se conoce como banda media (bandwidth). Cuando el amplificador opera en la banda media, las ganancia de voltaje (A V), corriente (A i) y potencia (A P) se conocen como ganancias de banda media. El ancho de banda de un amplificador depende de los componentes en el circuito, tipos de componentes activos y punto de operación. Al alejarse de la banda media la ganancia del amplificador disminuye. La banda media está delimitada por las frecuencias de corte o las frecuencias dónde la ganancia es a 0.707 A V. La ganancia suele representarse en dB y se obtiene con la fórmula 20 log (A V). El efecto de los capacitores de acoplamiento en la entrada (C 1), bypass del emisor (C 2) y acoplamiento de salida (C 3) en la respuesta de frecuencia baja (f L), está representado por las siguientes expresiones (9-11).
Figura 4. Respuesta de frecuencia amplificador emisor común
f L1=
1 2 π C 1 ( Z i + RG )
.
(9)
RG es la resistencia del generador y su valor estandar es 50Ω. FISI 3144-2013-I. Ramos
3
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2 π C 2 [(
f L3=
(10)
1
f L2=
R1∥ R2∥ RG
β
1 2 π C 3 ( RC + R L )
+ R E + r e )∥ R E ] 1
2
.
(11)
Práctica 1: Amplificador Emisor Común 1.
Construya el circuito en la figura 1 utilizando un transistor BJT 2N3904 o equivalente, capacitores C 1=C3=2.2µF, C2=10µF, resistores R1=100kΩ, R2=47kΩ, RC=3.9kΩ RE1=150Ω, RE2=2.7kΩ y RL=2.7kΩ. Utilice una fuente de voltaje VCC=15V. Todavía no conecte fuente en la entrada.
2. Mida el voltaje dc en el emisor (V E) y utilice ese valor para calcular la resistencia ac (r e) y la ganancia (A v) en decibeles (dB). 3. Ganancia de media banda. Conecte una señal senoidal de 50kHz en la entrada de su circuito. Conecte el canal 1 del osciloscopio a la entrada del circuito y el canal 2 a la salida. Ajuste la amplitud de la señal de entrada a un 1V. Calcule la ganancia en la banda media y compare con los resultados calculados. 4.
Efecto del capacitor de acoplamiento de entrada, C 1: Sustituya el capacitor de acoplamiento en la entrada (C 1) por uno de 0.033 µF y mida el voltaje de salida. Reduzca la frecuencia de la señal de entrada hasta que el voltaje de salida alcance 0.707 V. Mida la frecuencia a la que ésto ocurre. Esta será su frecuencia de corte f L1 Compare con el valor calculado utilizando la ecuación 9. Para sus cómputos utilice β=150 o el valor que indique la hoja de datos de su transistor y R G=50Ω (resistencia interna del generador). Coloque el capacitor original en el circuito antes de continuar.
5.
Efecto del capacitor bypass del emisor, C 2: Sustituya el capacitor bypass del emisor (C 2) por uno de 1 µF. Repita el procedimiento anterior y compare su frecuencia con el cómputo de f L2. Coloque el capacitor original en el circuito.
6.
Efecto del capacitor bypass de salida, C 3: Reemplace el capacitor de acoplamiento en la salida (C 3) por uno de 0.033 µF. Repita el procedimiento anterior y compare con el cómputo de f L3.
7. En su informe discuta el rol de cada capacitor en el circuito.
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