LABORATORIO LABORATORIO VIRTUAL VIRTUAL
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AMPLIFICADORES MULTIETAPAS .
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”
Asignatura: ELECTRÓNICA II
I.
INTRODUCCION
Se llam llamaa ampl amplif ific icad ador or mult multie ieta tapa pa a los los circ circui uito toss o sist sistem emas as que que tien tienen en múltiples transistores y además pueden ser conectadas entre sí para mejorar sus sus resp respue uest stas as tant tanto o en gana gananc ncia ia,, Zin Zin (Im (Impeda pedanc ncia ia de entr entrad ada) a),, Zout Zout (Impedancia de salida) o ancho de banda !as aplicaciones pueden ser tanto de cc como de ca "odas estas etapas amplificadoras pueden ser integradas y encapsuladas en un chip semiconductor llamado #ircuito Integrado $ebe $ebemo moss reco record rdar ar de acue acuerd rdo o a lo estu estudi diad ado o en %lec %lectr tr&n &nic icaa I que que un amplificador se describe como un circuito capa' de procesar las seales de acuerdo a la naturale'a de su aplicaci&n %l amplificador sabrá etraer la informaci&n de toda seal, de tal manera que permita mantener o mejorar la prestaci&n del sistema que genera la seal (sensor o transductor usado para la aplicaci&n) %n el presente presente report reportee de la *ráctic *rácticaa + - de %lectr&n %lectr&nica ica II, en base a la definici&n de un amplificador multietapa, se desarrollarán simulaciones de este tipo de circuitos y obtener así parámetros como. ganancia de /oltaje, ganancia de corriente, impedancia de entrada e impedancia de salida
II.
OBJETIVOS.
• $esarrollar una práctica simulada apoyándonos en el soft0are *12"%3S
para simular amplificadores de múltiples múltiples etapas • #1eali'ar simulaciones para obtener la ganancia de /oltaje en los
amplificadores de múltiples etapas
• #alcular la ganancia del /oltaje, ganancia de corriente impedancias de
entrada y salida para amplificadores multietapas
III.
MARCO TE TEÓRICO.
III.1 III.1.. Defi Defini nici ción ón.. !os amplificadores multietapa son circuitos electr&nicos formados por /arios tran transi sist stor ores es (45" (45" o 6%"), 6%"), que que pued pueden en ser ser acop acopla lado doss en form formaa dire direct cta, a, mediante capacitores o usando un transformador %s un circuito capa' de procesar las seales de acuerdo a la naturale'a de la aplicaci&n, es decir, que recibe una seal y de/uel/e una seal id7ntica pero de otra amplitud, menor o mayor y que tiene más de una una etapa en la que reali'a reali'a dicha operaci&n
III.2. III.2. Tipo Tipo !e Acop" Acop"e e %l acoplamiento establece la forma en la cual se conectan las distintas etapas ampl amplif ific icad ador oras as,, depe depend ndie iend ndo o de la natu natura rale le'a 'a de la apli aplica caci ci&n &n y las las cara caract cter erís ísti tica cass de resp respue uest staa que que se dese desean an %is %iste ten n dist distin into toss tipo tiposs de acoplamiento. 8coplamiento 8coplamiento directo, capaciti/o y por transformador !as etap etapas as se cone conect ctan an en forma forma dire direct cta, a, es 3.2.1 Acoplami Acoplamiento ento directo: directo: !as permite una amplificaci&n tanto de la componente de seal como de la componente continua del circuito Se dice que los circuitos de cc se acoplan directamente %l acoplamiento directo se puede utili'ar de manera efecti/a al acopla acoplarr un amplific amplificado adorr emisor emisor común común a uno emisor emisor seguidor seguidor,, porque porque la corriente de polari'aci&n en un emisor seguidor por lo general es alta %l acoplamiento directo elimina la necesidad de conectar con el capacitor de aco acoplam plamie ien nto y con con los resi resisstore toress 19 y 1: de la segu segund ndaa eta etapa pa %l amplificador acoplado directamente tiene una buena respuesta en frecuencias pues no eisten elementos de almacenamiento en serie (es decir sensibles a la frecuencia) que afecten la seal de salida en baja frecuencia %l amplificado amplificadorr resultant resultantee tiene tiene una ecelente ecelente respuesta respuesta en baja frecuencia frecuencia y puede amplificar seales de cd %s tambi7n más simple fabricar un circuito integrado pues no se necesita capacitores
Figura 1: Ejemplos de acople directo y sus aplicaciones aplicaciones
3.2.2 Acoplamiento capacitivo: %l acoplamiento capaciti/o o por condensador se usa usa para para inte interc rcon onec ecta tarr dist distin inta tass etap etapas as,, en las las cual cuales es s&lo s&lo se dese deseaa amplificar seal !a presencia del capacitor anula las componentes de cc, permitiendo s&lo la amplificaci&n amplificaci&n de seales en ca !os amplif amplifica icador dores es de ca usan usan acopla acoplamie miento nto capaci capaciti/ ti/o o *ermite *ermite mayor mayor libertad en el diseo, pues la polari'aci&n de una etapa no afectará a la otra !a figura : muestra un acople capaciti/o con transistores 45"
Figura 2: Amplificador BJT con acople capacitivo.
3.2.3Acoplamiento 3.2.3Acoplamiento por transformador # %ste acoplamiento es muy popular en el dominio de la radio frecuencia (16) %l transformador como carga permitirá aisl aislar ar las las sea seale less y adem además ás,, depe depend ndie iend ndo o de la ra'& ra'&n n de tran transfo sforma rmaci ci&n &n incr increm emen enta tarr el /olt /oltaj ajee y corri corrien ente te !os !os tran transf sform ormad ador ores es perm permit iten en aisl aislar ar el7ctr el7ctrica icamen mente te las distin distintas tas etapas etapas %l acopla acoplamie miento nto por transf transform ormado adorr se util utili' i'aa en rece recept ptore oress de radi radio o y tele tele/i /isi si&n &n $e esta esta form forma, a, las las etap etapas as de transistor no s&lo amplifican la seal (/ideo o audio) sino que tambi7n reali'an
la funci&n de separar la estaci&n deseada de las demás recibidas por la antena %l efec efectto net neto es produ roduccir una una cara aracte cterís rístic tica de frec frecu uenci enciaa que sea sea aproimadamente plana sobre el inter/alo deseado de la banda de frecuencias
Figura 3: Amplificador BJT con acople por transformador. transformador.
III.$. Confi%&'(ci Confi%&'(cione one !e ()p"ific(!o'e ()p"ific(!o'e )&"*ie*(p(. )&"*ie*(p(. 3.3.1 Conexión cascada. %s una conei&n en serie con la salida de una etapa apli aplica cada da como como entr entrad adaa a la segu segund ndaa etap etapa a !a cone conei i&n &n en casc cascad adaa proporciona una multiplicaci&n de la ganancia de cada etapa para una mayor gananc ganancia ia genera general l !a gananc ganancia ia genera generall del amplifi amplificad cador or en cascad cascadaa es el producto de las ganancias Av y Av de las etapas para así obtener una mayor ganancia total 1
2
Av Av = Av Av 1∗ Av2
%n la figura - se muestra un amplificador en cascada con acoplamiento 1c usando 45".
Figura : amplificador en cascada con acoplamiento !" usando BJT
!a ganancia de /oltaje de cada etapa es. Av Av 1=
− Rc ∥ RL ℜ
!a impedancia de entrada del amplificador es la de la etapa 9. Z 1 R 1 ∥ R2 ∥ βre =
; la impedancia de salida del amplificador es la de la etapa :. Z 2 ≈ Rc ∥ r 0
!a sigu siguie ient ntee figu figura ra es un ejem ejempl plo o de una red red con con ampl amplif ific icad ador or 6%" en cascada.
Figura #: Ejemplo de amplificador FET conectado en cascada.
#onsis iste te en un ampl amplif ific icad ador or en emis emisor or comú común n 3.3.2.Con 3.3.2.Conexión exión cascode: cascode: #ons acoplado directamente con una configuraci&n en base común $icho circuito posee una impedancia de salida mayor, una alta impedancia de entrada, con una ganancia de /oltaje baja y un ancho de banda más grande !a figura < muestra un amplificador en conei&n cascode.
Figura $: Amplificador en cone%i&n cascode
Figura ': Amplificador en cone%i&n "A(")*E A+TE!,AT- A+TE!,AT-A. A.
!a idea general general consiste en combinar la alta impedancia impedancia de entrada entrada y la gran transc transcond onduct uctanc ancia ia a tra/7s tra/7s de la config configura uraci& ci&n n de emisor emisor común, común, con la respuesta a altas frecuencias y la propiedad de ser un buffer de corriente de la configuraci&n base común %ntonces. I E 2 ≅ I E 1 I C 2 ≅ I C 1
I C 2 I C 1 β
≅
β
→ I B 2 ≅ I B 1
%sta config configura uraci& ci&n n corres correspon ponde de a dos etapas etapas 3.3.3 3.3.3 "one%i "one%i&n &n *arlin *arlingto gton. n. %sta seguidores de emisor, tiene una alta impedancia de entrada y además produce un efecto efecto multip multiplic licati ati/o /o sobre sobre la corrie corriente nte,, se conoce conoce además además como como par par $arl $arlin ingt gto on 3na cone cone i&n i&n $arl $arliingt ngton opera pera com como una una sola ola unida nidad d consiguiendo una beta muy grande la cual es el producto de las ganancias de corriente de los transistores indi/iduales #uando los transistores tienen ganancias de corriente diferentes, la conei&n $arlington proporcionara una ganancia de.
β D = β 1 β 2 si β 1= β 2= β ; entonces entonces β D = β
2
Figura /: Amplificador en configuraci&n *arlington. *arlington.
III.+. E*&!io E*&!io !e "o efec*o efec*o !e c('%( c('%( , co''i)ien co''i)ien*o *o !e ni-e" DC $.+.1 Efecto de carga. %n un amplificador multietapa, las características de las etapas de entrada y salida dependerán de las características del generador de entrada y de la carga 3no de efectos a tener en cuenta en un multietapa es la carga que ejerce cada etapa sobre la anterior, así como el que una de las etapas será la que limitara la máima amplitud de la seal de salida por lo que si queremos aumentar dicha seal debemos actuar sobre la etapa responsable r esponsable %n este este caso caso pued puedee ser ser util utili' i'ad adaa la real realim imen enta taci ci&n &n para para mejo mejora rarr las las características del amplificador "ambi7n es posible utili'ar un transformador adaptador de impedancia para e/itar los efectos de carga, esto en el caso de amplif amplifica icador dores es con 45" debido debido a su baja baja impeda impedanci nciaa de entrad entrada a %n los amplificadores con 6%", las etapas pueden ponerse directamente en cascada sin que se presenten problemas de efectos de carga
$.+.2 Corrimiento DC.
%n amplificadores multietapas con acoplamiento directo, la polari'aci&n de cada etapa no es independiente de las otras =ás aún, el ni/el $# de cada etap etapaa se /a tras trasla lada dand ndo o a la sigu siguie ient nte, e, prod produc uci7 i7nd ndos osee un prob proble lema ma de apilamiento de /oltaje que termina saturando a las etapas finales, esto es producto de que salida en #8 de la primera etapa está superpuesta con el ni/el de cd estático de la segunda segunda etapa, entonces entonces el ni/el de #$ de la salida de la etapa anterior se suma al ni/el de #$ de polari'aci&n de la segunda etapa %sto se puede corregir, empleando estrategias de despla'amiento o corrimiento de ni/el $# *ara compensar los cambios en los ni/eles de polari'aci&n, en amplificador utili'a diferentes /alores de fuentes de tensi&n de #$ en lugar de una fuente de >cc sencilla "ambi7n en /e' de usar un acople directo entre las etapas se puede usar un acople capaciti/o, el cual constituye la forma más simple y efec efecti ti/a /a de desa desaco copl plar ar los los efec efecto toss del del ni/e ni/ell de #$ de la prim primer eraa etap etapaa ampl amplif ific icad ador or,, de aque aquell llos os de la segu segund ndaa etap etapa a %n capa capaci cito torr sepa separa ra el componente de #$ de la seal de #8 *or tanto, la etapa anterior no afecta la polari'aci&n de la siguiente *ara asegurar que la seal no cambie de manera significati/a por la adici&n de un capacitor, es necesario que est7 se comporte como cortocircuito para todas las frecuencias a amplificar configuraciones nes multietapa multietapa clásica clásicas, s, el par darlington darlington,, la En síntesis: !as configuracio conei&n cascada y la conei&n cascode, presentan características propias, alta impedancia de entrada e incremento de la corriente y alta impedancia de salida respecti/amente, las cuales pueden ser mejoradas combinando dichos circuitos con otros elementos, ya sea para su polari'aci&n (fuentes de corriente acti/as) o como carga %n un ampl amplif ific icad ador or mult multie ieta tapa pa la cone conei i&n &n en casc cascad adaa prop proporc orcio iona na una una mult multip ipli lica caci ci&n &n de la gana gananc ncia ia en /olt /oltaj ajee de cada cada etap etapaa para para una una mayo mayor r ganancia general +o debe dejarse de lado, el hecho de que las etapas iniciales y finales, tambi7n son las responsables de las características de impedancia que ofrecerá el amplificador %s decir que, un amplificador no es un sistema simple si mple de anali'ar y disear %s un sistema complejo, pero con notables facilidades para el diseador, si este ha logrado una buena metodología en el marco te&rico ? práctico de los circuitos electr&nicos elementales
IV. IV.
MAT MATERIA ERIAL L E/U E/UIP IPO O A UTIL UTILI0 I0AR AR..
a)
#omputadora y *rograma de simulaci&n *12"%3S
V.
DESARROLLO DE DE LA LA PRCTICA.
9 #onstruya #onstruya en en *12"%3S *12"%3S el circuito circuito de la figura figura :
6igura :
: Simule Simule el circuito, circuito, obtenien obteniendo do las siguientes siguientes medicio mediciones nes en $#.
!a gráfica que nos presenta el osciloscopio se muestra a continuaci&n.
#álculos matemáticos que respaldan la simulaci&n. %l análisis de polari'aci&n de cd resulta en. B 0 ./ E 0 0 .1 " " 0 0 11 - " 0 .1 mA %n el punto de polari'aci&n.
!a ganancia de /oltaje de la etapa 9 es por consiguiente.
mientras que la ganancia de /oltaje de la etapa : es.
para una ganancia de /oltaje total total de.
%l /oltaje de salida es entonces.
!a impedancia de entrada del amplificador es.
mientras que la impedancia de salida del amplificador a mplificador es.
Si se conecta una carga de 9@ A Ω€ Ω€a la salida del amplificador, el /oltaje resultante a tra/7s de la carga c arga es.
B #onstruya #onstruya en en *12"%3S *12"%3S el circuito circuito de la figura figura B
6igura B #álculos matemáticos que respaldan la simulaci&n.
y el punto de polari'aci&n de cd.
!a ganancia de /oltaje para cada etapa es entonces.
!a ganancia de /oltaje del amplificador en cascada c ascada es entonces.
%l /oltaje de salida será de.
!a impedancia de entrada del amplificador en cascada es.
!a impedancia de salida del amplificador en cascada (suponiendo que rd C ∞)€es de.
Ω€seria entonces de. %l/oltaje de salida a tra/7s de una carga de 9@ D Ω€
VI. CUESTIONARIO. 1 Re("ice Re("ice e" (n3"ii (n3"ii en DC , AC p('( p('( pe4&e5( pe4&e5( e5("e e5("e !e "( fi%&'( fi%&'( 2 , $. SO!C"O#:
6IE318 :. #álculos matemáticos que respaldan la simulaci&n. %l análisis de polari'aci&n de cd resulta en. B 0 ./ E 0 0 .1 " " 0 0 11 - " 0 .1 mA %n el punto de polari'aci&n.
!a ganancia de /oltaje de la etapa 9 es por consiguiente.
mientras que la ganancia de /oltaje de la etapa : es.
para una ganancia de /oltaje total total de.
%l /oltaje de salida es entonces.
!a impedancia de entrada del amplificador es.
mientras que la impedancia de salida del amplificador a mplificador es.
Si se conecta una carga de 9@ A Ω€ Ω€a la salida del amplificador, el /oltaje resultante a tra/7s de la carga c arga es.
6IE318 B. #álculos matemáticos que respaldan la simulaci&n.
y el punto de polari'aci&n de cd.
!a ganancia de /oltaje para cada etapa es entonces.
!a ganancia de /oltaje del amplificador en cascada c ascada es entonces.
%l /oltaje de salida será de.
!a impedancia de entrada del amplificador en cascada es.
!a impedancia de salida del amplificador en cascada (suponiendo que rd C ∞)€es de.
%l/oltaje de salida a tra/7s de una carga de 9@ D Ω€ Ω€seria entonces de.
2 6Po' 6Po' 4&7 !ifi !ifie'e e'e en en %'(n %'(n )e!i!( )e!i!( e" 8 fe )e!i!o con e" 4&e epecific( e" f(9'ic(n*e en & 8o:( *7cnic(;. SO!C"O#:
!a respuesta está en que la ganancia de corriente de un transistor /aría de una forma forma sustan sustancio ciosa sa con la corrie corriente nte de colect colector or 8demás, demás, la temperatura ambiente influye positi/amente en el aumento de dicha corriente Fay que pensar que al aumentar la temperatura de la uni&n del diodo colector aumenta el número de portadores minoritarios y, por tanto, se produce un aumento de la corriente de colector *ara poder cuantificar este fen&meno, los fabricantes de transistores proporcionan, en las hojas de especificaciones t7cnicas, cur/as de ganancia de corriente, donde se relacionan las /ariaciones que sufre G con respecto a la corriente de colector y a la temperatura ambiente
%n esta estass cur/ cur/as as,, se pued puedee aprec aprecia iarr c&mo c&mo la gana gananc ncia ia de corri corrien ente te aume aument ntaa hast hastaa un /alo /alorr mái máimo mo mien mientr tras as la corri corrien ente te de cole colect ctor or aume aument ntaH aH sobr sobrep epas asad ado o ese ese lími límite te,, para para mayo mayore ress /alo /alores res de dich dichaa corriente, la ganancia decrece "ambi7n, se hace obser/ar la eistencia de tres cur/as distintas, que indican diferentes condiciones de trabajo para diferentes temperaturas ambiente ambiente #uando se disea un circuito con transistores hay que tener en cuenta estas /ariaciones de la ganancia de corriente, de lo contrario se podrían cometer errores sustanciales, que in/alidarían las condiciones de trabajo requeridas por el diseo inicial B) $C%&l es la ma'or ganancia de tensión (%e p%ede o)tenerse en los amplif amplifica icador dores es constr% constr%ido idoss en la pr&cti pr&ctica* ca* consid considera erando ndo (%e s%s transistores siempre cond%cir&n en la región lineal+. SO!C"O#: 8l igua iguall que que ocur ocurrí ríaa con con los los diod diodos os,, cuan cuando do se pola polari ri'a 'a in/e in/ersa rsame ment ntee cualqu cualquier ieraa de las unione unioness de un transi transisto storr aparec aparecen en peque pequeas as corrie corriente ntess in/ersas, que no pro/ocarán la ruptura de dichas uniones si la tensi&n que se aplica no supera los /alores máimos fijados en las hojas de especificaciones t7cnicas 9 Tenión in-e'( co"ec*o'<9(e =V CBO con e" e)io' (9ie'*o
%n este caso, la uni&n formada por la base y el colector están polari'adas in/ersamente con la tensi&n > #4 #omo ocurría con los diodos, esto pro/oca la circulaci&n de una pequea corriente de fuga (I #42) que no será peligrosa hasta
que no se alcance la tensi&n de ruptura de la uni&n +ormalmente esta tensi&n suele ser ele/ada (del orden de :@ a B@@ >) +unca deberá trabajarse, por supuesto, con una tensi&n superior a la indicada por el fabricante en sus hojas t7cnicas %ste dato suele aparecer indicado con las siglas > #42 : Tenión Tenión in-e'( co"ec*o'
%n este otro caso, se ha abierto la base, por tanto, se aplica una tensi&n entre el colector y el emisor que es igual a la suma de las tensiones de las fuentes de emisor a colector %sta fuerte diferencua de potencial pro/oca un pequeo flujo de electrones que emite el emisor y que se sienten fuertemente atraídos por el potencial positi/o de la fuente %l resultado es una pequea corriente de fuga de emisor a colector I #%2 8l igual que ocurría anteriormente, el /alor de esta corriente está determinado por la tensi&n colector?base (> #%2) aplicada %n las hojas t7cnicas tambi7n aparece la tensi&n máima de funcionamiento (>#%2) que que en ning ningún ún caso caso debe debe ser ser supe supera rada da,, para para e/it e/itar ar el peli peligr gro o de destrucci&n del semiconductor 8sí, por ejemplo, para el transistor 4# 9@, en las hojas de especificaciones t7cnicas t7cnicas aparecen los siguientes siguientes /alores para las tensiones tensiones de ruptura. ruptura. > #42 C B@> y > #%2 C :@>, lo que significa que este transistor nunca deberá operar con tensiones superiores a estos /alores especificados
+ E>p"i4&e E>p"i4&e có)o )e!i' e>pe'i) e>pe'i)en*(") en*(")en*e en*e "( %(n(nci( %(n(nci( !e co''ien*e co''ien*e p('( &n ()p"ific(!o' ( )p"ific(!o' con BJT , FET. SO!C"O#:
Supongamos que, a la entrada del circuito de la siguiente figura, se aplica una seal alterna de pequea amplitud, y frecuencia lo suficientemente pequea
para que puedan ser despreciados los efectos dinámicos que no han sido tenidos en cuenta en el modelo anterior %n estas condiciones, por el circuito de entrada circulará una corriente alterna ?I b?8I b %s decir, sobre la corriente ?I b que eistí eistíaa para para un increm increment ento o de tensi&n @, se superpone una corriente alterna de amplitud incremento de la intensidad de base $e forma análoga, en el circuito de salida aparecerá una corriente alterna de amplit amplitud ud igual igual al increm increment ento o de la intens intensida idad d de colect colector or,, superp superpues uesta ta a ?Ic(corriente de colector para un incremento de tensi&n @) Se define ganancia en intensidad como. 2bs7r/ese que, al ser no mucho menor que 9, la ganancia de instensidad puede tomar /alores muy ele/ados ele/ados $e forma análoga, se defina la ganancia de tensi&n como. %n definiti/a, la seal de entrada, se /e amplificada tanto en intensidad como en tensi&n
VII VII. CONCL NCLUSIONES NES. • !os circuitos multietapa son sistemas construidos a partir de /arios
transistores, estos pueden estar acoplados entre sí, ya sea en forma directa o a tra/7s de un capacitor • #uando las etapas son acopladas por capacitor se habla de circuitos de
ca, ca, la pres presen enci ciaa de cond conden ensa sado dore ress en un ampl amplif ific icad ador or hace hace que que la ganancia ganancia de 7ste dependa dependa de la frecuencia frecuencia Si son acopladas acopladas en forma directa se habla de circuitos en cc y ca • %n un amplificador multietapa la conei&n en cascada proporciona una
multiplic multiplicaci&n aci&n de la ganancia en /oltaje /oltaje de cada etapa para una mayor ganancia general +o debe dejarse de lado, el hecho de que las etapas iniciales y finales, tambi7n son las responsables de las características de impedancia que ofrecerá el amplificador
VIII. VIII. BIBL BIBLIO IO?RA ?RAFI FIA. A. 4oylestad, 1obert
"eoría "eoría de circuitos y dispositi/os electr&nicos %lectr&nica :@@J %lectr&nica *rentice Fall 1 #arri #arrill llo, o, 5I 5I Fuir Fuirca can n 8mpli mplifi fica cado dores res mult multie ieta tapa pa,, Ken Ken líne líneaL aL,,
disponible en. http.MM9-<B:@<9 http.MM9-< B:@<9MNjhuirca MNjhuircanM*$6O# nM*$6O#"2IM=ultIe "2IM=ultIee:pdf e:pdf #harles 8 Schuler %lectr&nica, *rincipios y 8plicaciones, Ken líneaL,
disponible en. https.MMbooAsgooglecoms/MbooAsMaboutM%lectr P#BP4BnicaOprincipiosOyOaplicacioneshtm P#BP4BnicaOprincipio sOyOaplicacioneshtmlQidCOR@ty; lQidCOR@ty;/*F /*F%#hlCes %#hlCes
8puntes de las tutorías de la asignatura
