1 Amplificador monoetapa con BJT La utilización de BJT’s como
amplificadores es el modo de funcionamiento más común
de estos elementos activos. Se elige la configuración más idónea de trabajo del transistor, dependiendo de las características del generador de señal y de la carga que se conecte a su salida, entre los cuales mediará el amplificador. Es importante, por una parte: saber analizar el amplificado, estudiar su respuesta y determinar sus parámetros característicos; como por otra parte, comprender la relación que existe entre cada componente y los parámetros característicos. En base a ello, se podrá modificar el circuito y comprobar experimentalmente las mejoras.
1.1
OBJETIVOS
Analizar teóricamente el circuito propuesto, para obtener los parámetros característicos del amplificador.
Comprobar experimentalmente si el circuito esta bien polarizado.
Determinar experimentalmente los parámetros del amplificador; tales como: ganancia, margen dinámico, e impedancias de entrada y salida.
Analizar y justificar las posibles discrepancias entre los resultados teóricos y los reales. real es.
Saber mejorar el circuito analizado experimentalmente, sugiriendo la modificación de algún componente.
1.2
ESTRUCTURA DE LA PRÁCTICA La práctica está estructurada de la siguiente forma: 1
TÉCNICAS ANALÓGICAS ESPECIALES. Cuaderno de laboratorio.
1) Obtención teórica de las ecuaciones necesarias para analizar el circuito y resolución de las mismas teniendo en cuenta los datos facilitados y las hojas de catálogo. Los resultados obtenidos se anotarán en las casillas preparadas para cada circuito. El proceso será: a) Diseñar el circuito a partir de los datos requeridos: ganancia de tensión, impedancia de entrada, impedancia de salida, y máxima excursión en el circuito propuesto. Todos los valores deberán estar normalizados. b) Estudio en continua del amplificador diseñado; es decir, una vez diseñado hay que recalcular el punto de polarización del transistor (V CEQ , I CQ) y el margen dinámico. c) Recalcular los valores de los parámetros del amplificador (ganancia de tensión, impedancia de entrada, impedancia de salida) para ver si se aproximan a los deseados. En caso contrario variar algún criterio para conseguirlo, y repetir el proceso d) Presentar el circuito definitivo y anotar en una tabla resumen los resultados teóricos obtenidos de los parámetros del amplificador. 2) Montaje en el laboratorio del amplificador y realización de las medidas necesarias para determinar los parámetros característicos experimentalmente. a) Medidas del punto de polarización del transistor. b) Medidas a frecuencias medias de la ganancia de tensión, máxima excursión de salida, e impedancias de entrada y salida. c) Comparación de los resultados experimentales obtenidos con los teóricos 3) Estudio experimental de las diferentes configuraciones posibles utilizando el mismo circuito de polarización. a) Incorporación al circuito del condensador de desacoplo de emisor y comprobación posterior de la variación de los valores de los parámetros, debido al efecto de dicho condensador. b) Considerando la señal de entrada por la base y la salida por el emisor. c) Considerando la señal de entrada por el emisor y la salida por el colector. Añadir un condensador de desacoplo en la base 4) Realización de las cuestiones propuestas al final de la práctica, anotando las conclusiones que considere oportunas. Algunas de estas cuestiones se pueden razonar teóricamente; pero otras sería conveniente resolverlas experimentalmente en el laboratorio, para una mejor comprensión.
2
PRÁCTICA 1. AMPLIFICADOR MONOETAPA CON BJT
1.3
DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR MONOETAPA CON BJT
Se desea diseñar un amplificador utilizando un transistor BJT (BC547B) y siguiendo el esquema de la figura; que tenga a frecuencias medias las siguientes características: +V CC RC
R1
vi
C 1
Generador laboratorio
vo C 2
Q
R2
R E
Figura 1.1 Amplificador Monoeatapa con BJT
G1
G2
G3
G4
G5
-20
-15
-10
-20
-22
Impedancia de entrada: R
10 k
4,7k
2,7 k
6,5 k
4,2 k
Impedancia de salida: R
6,8 k
2,2 k
1k
3,3 k
2,2 k
Ganancia de tensión: A
V
i
o
Considera que dispones de una tensión de alimentación V CC = 15 V
1.4 MÉTODOS PARA MEDIR LOS PARÁMETROS DE UN AMPLIFICADOR EN EL LABORATORIO Para poder medir las características reales del amplificador diseñado y comprobar que coinciden con las solicitadas se requiere unas técnicas particulares de cada parámetro, las cuales pasaremos a comentar.
1.4.3
Ganancia de tensión AV
Para medir la ganancia de tensión bastará con aplicar la definición de ganancia, es decir, la relación entre la señal de salida y la señal de entrada que la produce. Elegiremos una señal de entrada cuya amplitud no aparezca distorsionada a la salida, (sinusoidal perfecta, igual valor de pico positivo que negativo). Mediremos la amplitud de ambas señales y obtendremos la relación AV Av
vo vi
3
TÉCNICAS ANALÓGICAS ESPECIALES. Cuaderno de laboratorio.
Para comprobar si están en fase o no, habrá que visualizarlas en el osciloscopio, utilizando el botón DUAL. Para asegurarnos de que estamos en la zona de frecuencias medias, (zona en la cual la ganancia es independiente de la frecuencia de la señal de entrada), comprobaremos que la amplitud de la señal de salida permanece constante aunque variemos la frecuencia de la señal de entrada dentro de un margen de valores.
1.4.4
Impedancia de entrada de un cuadripolo
La impedancia de entrada de un cuadripolo es el cociente entre la tensión que se aplica a la entrada y la corriente que circula por R g ii ella. vi
Ri
Ro
ii
vi
v g
Ri
AvNL·vi
vo
Para medir la tensión aplicada a la entrada del amplificador, se puede Figura 1.2 Modelo equivalente del amplificador utilizar un osciloscopio conectado a los terminales de entrada del cuadripolo. Se observará en la pantalla la tensión de entrada, ¿pero cómo calcularemos la corriente que entra al amplificador? Si se conecta en serie con la entrada del cuadripolo una resistencia auxiliar (R), tal como indica la figura 3.8, midiendo las tensiones en los extremos de dicha resistencia y dividiendo por su valor sabremos el de la corriente (medida indirecta de corrientes).
R g
R 1
ii
2
Ro v g
v1
v2
Ri
AvNL·vi
vo
Figura 1.3 Montaje para la medida indirecta de la corriente de entrada
Una vez conectada la resistencia en serie con la entrada del cuadripolo se pueden medir la diferencia de tensión entre sus bornes conectando una de las entradas del osciloscopio al punto (1) y otra al punto (2). La diferencia de las tensiones entre (1) y (2) se obtendrá directamente en el osciloscopio (teclas ADD e INVERT) y de esta forma sólo faltará dividir por el valor de R. La tensión de entrada al cuadripolo será la del punto (2). Ri
4
v2 (v1 v 2 ) / R
PRÁCTICA 1. AMPLIFICADOR MONOETAPA CON BJT
El valor de la resistencia R debe ser del orden de la impedancia de entrada del cuadripolo para que ninguna de las magnitudes que entran en juego sea tan pequeña que resulte difícil visualizarla, y se cometan errores de medición.
1.4.5
Impedancia de salida de un amplificador
El circuito equivalente de salida de un amplificador se reduce a un generador de tensión dependiente de la tensión de entrada ( AV ·vi) en serie con una resistencia ( Ro); la cual representa la impedancia de salida del amplificador, fig. 3.9. Para obtener el valor real de esta impedancia de salida se suele utilizar el método experimental siguiente: R g
ii Ro vi
v g
Ri
AvNL·vi
vo
Figura 1.4 Modelo equivalente de un amplificador de tensión sin carga
El primer paso es medir la tensión de salida del amplificador en vacío vo (sin carga), utilizando para ello el osciloscopio. A continuación, y sin desconectar el osciloscopio se conecta entre la salida y tierra, mediante un condensador de 10 F, una resistencia variable, como indica la figura 3.10, que tenga un valor del mismo orden de magnitud del que se espera que sea la impedancia de salida. En la pantalla del osciloscopio se observará que al variar el valor de la resistencia ajustable varía la amplitud de la señal de salida, esto es debido al divisor resistivo que se ha formado entre la impedancia de salida y la carga conectada R L. R g
ii Ro
v g
vi
Ri
AvNL·vi
v L R L
Figura 1.5 Modelo equivalente de un amplificador de tensión con carga
v L
Av vi
R L R L Ro
vo
R L R L Ro
Observando la expresión de la tensión de salida con carga, se ve con facilidad que la amplitud de la señal de salida se reduciría a la mitad de la medida en vacío cuando R L = Ro. En la práctica se realiza la misma operación moviendo el cursor del potenciómetro, hasta que se aprecie en el osciloscopio la reducción de la señal de salida a la mitad de su valor de vacío. Bastará con medir el valor del potenciómetro, para conocer el de la resistencia de salida Ro del amplificador. 5
TÉCNICAS ANALÓGICAS ESPECIALES. Cuaderno de laboratorio.
1.4.6
Margen dinámico. Entrada para máxima salida sin distorsión
La amplitud de la señal de salida va a depender de los márgenes entre los que se pueda mover el punto Q sobre la recta dinámica de carga (curvas características de salida). Si hacemos que la señal de entrada (intensidad en el caso de los BJT y tensión en los JFET) sea de una amplitud elevada, tal que el punto Q no pueda seguir dicha variación, la señal de salida quedará recortada. Para comprobar este efecto en el laboratorio, habrá que introducir una señal sinusoidal, cuya frecuencia este dentro de la zona de frecuencias medias, en el amplificador, y observar la señal de salida. Si el punto Q estaba perfectamente centrado en la recta dinámica observaremos en el osciloscopio que al ir aumentando la señal de entrada llegará un momento que la tensión de salida aparecerá recortada en ambos extremos. Al aumentar la entrada, si el punto Q no estaba bien centrado, el recorte de la señal de salida se producirá primero en un extremo; y posteriormente con un progresivo aumento de la señal de entrada, también aparecerá el recorte en el otro extremo. Existe por tanto una máxima señal de entrada para una salida sin distorsión. También se puede definir la máxima excursión de salida sin distorsión como el máximo valor que puede alcanzar la amplitud de la señal de salida sin recortar. Ambos valores son fácilmente observables en el osciloscopio.
1.5
CUESTIONES a) La modificación del valor de la resistencia de colector, ¿a qué parámetros del circuito afectará? V CEQ
I CQ
AV
Ri
Ro
vO
b) ¿Cómo conseguir un aumento de ganancia modificando el mínimo de parámetros? ¿Qué otros parámetros se verían afectados con esta modificación? c) Si se conecta el generador de señal directamente a la entrada del amplificador (sin condensador), ¿qué tensión habrá en el terminal de salida? ¿qué le ocurre al transistor? d) Al conectar el condensador de desacoplo a la resistencia del terminal común, ¿varía la ganancia? Justifícalo. e) ¿Influye la resistencia de carga R L sobre la señal de salida? Justifica la respuesta. f) ¿En qué configuración trabaja el transistor en el circuito que has diseñado (si la señal de entrada se conecta por la base y la salida por el colector)? g) ¿En qué configuración trabaja el amplificador si la señal de entrada se conecta por la base y la salida por el emisor? ¿Cómo le afecta a la ganancia, impedancias de entrada y de salida, el hecho de utilizar la salida por el emisor en lugar de por el colector. h) ¿En qué configuración trabaja el amplificador si la señal de entrada se conecta por el emisor y la salida por el colector? ¿Los resultados de ganancia, impedancias de entrada y de salida de esta configuración serán las mismas que las del circuito diseñado añadiendo un condensador de desacoplo? 6
