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PRÁCTICA 1. AMPLIFICADOR MONOETAPA EN EMISOR COMÚN ACOPLADO CON CARGA
Objetivo
Conocer los factores que hacen de un arreglo con un transistor bipolar, un circuito
amplificador estable, así como aquellos fenómenos que ocurren si no se tienen los
elementos del circuito necesarios para eliminar discrepancias, tales como el corrimiento
del punto de operación hacia saturación o hacia corte.
Introducción
El punto Q se define gráficamente como la intersección de la recta de carga con
cualquier curva de un dispositivo, en este caso nos referiremos a la curva característica de
un transistor.
El punto Q depende de cada configuración para que sea estable o cambie de rango
con respecto a alguna o algunas variables externas que en dicha configuración se vean
modificadas. Por ejemplo, si tenemos un amplificador en emisor común con polarización
fija sin resistencia en el emisor, la beta del dispositivo que se esté trabajando hará que el
punto Q cambie de posición, o quizá el efecto de la temperatura hace que el punto Q
varíe en su posición, en pocas palabras, que el punto Q sea inestable.
Es entonces que una resistencia en el emisor, ayuda a compensar las variaciones en
voltaje que se tenga en la beta del transistor, por lo que el punto Q se mantiene
cuasiestático. Los rangos en los que el punto Q puede operar son: en corte, en saturación
o en la región activa o lineal. Los circuitos integrados o digitales son elaborados para
funcionar en la región de corte o saturación.
Un amplificador corresponde a circuitos que operan en la región lineal o activa, con lo
que el punto Q debe ubicarse en esta región y esencialmente en el centro de la recta de
carga, para que la señal amplificada no se vea deformada.
La polarización es la aplicación de voltaje a un dispositivo y esta puede tener diferentes
configuraciones (tipos de polarización).
Un amplificador a emisor común polarizado por realimentación por emisor, tiene la
siguiente figura:
Figura a: Amplificador con polarización fija con emisor
Cuando al circuito anterior se le quita la resistencia de emisor, se dice que la polarización
es de base o fija. Con la resistencia de emisor, se trata de estabilizar el punto Q con
retroalimentación negativa en la base para neutralizar los cambios de corriente en el
colector. Por ejemplo, aumenta la corriente del colector, esto hace decrecer la tensión
de colector, con lo que desciende la tensión en la resistencia de base, por tanto
disminuirá la corriente de base, lo cual se opone al inicial cambio de corriente en el
colector. La configuración por realimentación de colector es la siguiente:
Figura b: Amplificador polarizado por retroalimentación con emisor
Las polarizaciones con realimentación de emisor y de colector representan los primeros
esfuerzos por obtener polarizaciones más estables para los circuitos transistores. A pesar e
que la idea de la retroalimentación negativa es buena, esos circuitos se quedan a mitad
de camino al no proporcionar la suficiente retroalimentación negativa para lograr su
objetivo.
Arriba
Desarrollo de la práctica
Material y equipo a emplear
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2 transistores 2N3904
1 potenciómetro de 250 KΩ
1 resistencia de 560 Ω
1 resistencia de 470 Ω
1 resistencia de 220 Ω
1 resistencia de 1 KΩ
1 generador de funciones
1 osciloscopio
2 capacitores de 0.1 μF
1 capacitor de 4.7 μF
NOTA: Se decidió, para este experimento utilizar el transistor 2N3904 puesto que según las
especificaciones que se dan para este experimento, tenemos una I Ccorte = 24 mA y un
VCEsat = 12 Vcd. Como podemos ver en la hoja de especificaciones, este transistor cumple
perfectamente con las especificaciones antes dichas...
Parte 1: Amplificador en configuración emisor común con polarización fija
Parte 1
Diseñar un circuito amplificador en configuración emisor común con polarización fija
como se muestra en la siguiente figura:
Figura 1: Circuito amplificador con polarización fija
Utilizamos un valor de 470 Ω porque es el valor comercial que mas se aproxima al valor de
500 Ω que se nos había pedido. El valor de VCE = 6 Volts, βTIP = 165, VBE = 0.7 Volts
El valor teórico de RB lo calculamos de la siguiente manera:
Pero en valor comercial utilizamos una resistencia de 160 kΩ.
Medir el punto de operación Q en reposo (sin señal aplicada)
a. Ajuste RB para encontrar el punto de operación.
De acuerdo con los datos que tenemos podemos graficar donde debe de estar el punto
de operación del transistor que estamos utilizando, como se muestra en la gráfica.
ICQ = VCC / 2RC = 12 / 2(500) = 12 miliAmp.
VCEQ = VCC / 2 = 12 / 2 = 6 Volts.
Q = (6 Volts, 12 miliAmp.)
Figura 2: Punto operación teórico del amplificador con polarización fija
b. Cambie el transistor por otro de la misma serie para observar la variación que
existe en el punto de operación entre dos transistores teóricamente iguales y
obtener la diferencia de Q1 – Q2
Como podemos ver, al realizar el cálculo de las variaciones de Q, tenemos:
Así, al ver la variación de los valores del punto Q de un transistor a otro, podemos indicar
que esta configuración de transistor es muy inestable, por lo que deberíamos prescindir de
su utilización en el diseño de amplificadores.
c. Cambie el valor de RC a 1kΩ para que concluya cual es el efecto de RC como se
muestra en la siguiente figura.
Figura 3: Variación de la resistencia de colector del amplificador con polarización fija
El valor teórico de RB lo calculamos de la siguiente manera
VCC = RCICQ + VCE → ICQ = (VCC – VCE) / RC = (12 – 6) / 1000 = 6 miliAmp.
IBQ = ICQ / βTIP = 6 / 165 = 0.036363 miliAmp.
VCC = RBIBQ + VBE → RB = (VCC – VBE) / IBQ = (12 – 0.7) / 0.036363 = 310.75 kΩ,
pero en valor comercial utilizamos una resistencia de 160 kΩ.
d. Agregue una resistencia en el emisor RE = 220 Ω para observar cuál es el efecto de
ásta en el punto de trabajo, como se muestra en la siguiente figura.
Figura 3: Colocando resistencia al emisor.
El valor teórico de RB lo calculamos de la siguiente manera
IE = IC + IB
VCC = RCICQ + VCE + REIE → ICQ = (VCC – VCE)*β / [(RC + RE)*(β+ 1)] =
ICQ = (12 – 6)*165 / [(500+220)*(165+1)] = 8.2831 mAmp.
IBQ = ICQ / βTIP = 8.2831 / 165 = 0.050200 mAmp.
VCC = RBIBQ + VBE + REIE → RB = [VCC – VBE – RE(IC + IB)] / IBQ = [12 – 0.7 – 220(8.2831 + 0.050200) /
0.050200 = 179.197 kΩ, pero en valor comercial utilizamos una resistencia de 180 kΩ.
Nuevamente, podemos ver una variación considerable respecto de la tabla 1 y la tabla
tres... sin embargo, considerando el rango en el cual se mueven las variaciones de los
puntos de operación, podemos ver que están más cerca del punto óptimo.
e. Cambie el transistor por otro de la misma serie para observar la variación que
existe en el punto de operación entre dos transistores teóricamente iguales y
obtener la diferencia de Q1 – Q2.
Al calcular las variaciones del punto de operación podemos validar lo dicho en el punto
anterior, es decir, que al incluir una resistencia de colector al circuito, éste se hace un
poco
más
estable.
Aplique una señal senoidal de 1 Khz con 15 miliAmp de Voltaje pico a pico (V PP). Conecte
el canal X del osciloscopio entre la base y la tierra del transistor y el canal Y entre la tierra y
el colector.
a. Coloque un par de capacitares de valor de 0.1μF uno en la señal de entrada y
otro en la salida para que exista el acoplamiento.
Figura
4:
Amplificador
en
colector
común
con
polarización
fija
monoetapa
Escala
de
división
Horizontal:
Escala
de
división
Vertica
canal
X
Escala de división Vertica canal Y (salida): 1 V/div
Canal
X
=
Canal Y = 2.4 V
Frecuencia = 1 KHz.
0.2
(entrada):
60
0.1
ms/div
V/div
mV
Figura 5: Gráfica del osciloscopio que resulta de las señales de entrada y salida del
amplificador
Si calculamos la ganancia de voltaje del amplificador, podemos notar que éste tiene un
valor muy importante de esta ganancia, sin embargo, cabe recalcar que debido a su
gran inestabilidad, resulta casi imposible tener una aplificación para valores elevados de
voltaje (durante el experimento, se intentó alimentar al amplificador con una señal de 2
Vpp y el amplificador se encontraba ya sobre-excitado), por lo que podemos considerar
a este tipo de amplificador como poseedor de altas ganancias de amplificación a
voltajes muy bajos.
Ponga al máximo la amplitud del generador y detectar cuales son la regiones de corte y
saturación por medio de la grafica poniendo el selector de canal en DC.
PARTE 2: AMPLIFICADOR EN CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN CON POLARIZACIÓN EN
RETROALIMENTACIÓN
Diseñar un circuito amplificador con un transistor bipolar en configuración emisor común
en polarización con retroalimentación si se utiliza un voltaje de polarización de V CC = 12 V
e Isat = 24 mA.
Debido a que ya se cuenta con los datos propuestos para el punto de operación Q,
procedemos a decidir cuál modelo de transistor se ha de utilizar, a lo que se llega a la
conclusión de utilizar el modelo 2N3904, que, de acuerdo a sus características, podemos
decir que cumple con las condiciones iniciales del circuito amplificador a diseñar.
Procedemos al diseño del circuito, como se puede ver, el circuito indicado para la
configuración del amplificador es el siguiente:
Figura 8: Circuito amplificador con polarización en retroalimentación
Donde las resistencias variables se colocaron con el propósito de ajuste fino,
debido a la imposibilidad de encontrar valores comerciales de las resistencias que
a continación se calcularán (como se puede ver, dentro del diagrama se indican
los valores que han resultado de dicho cálculo).
Cálculos para el amplificador:
Tomando los datos principales del transistor, así como las condiciones que nos pide
el experimento, tenemos:
Con estos datos procedemos a calcular, primeramente, el valor de la resistencia R B
y comprobar si los valores de las corrientes son los correctos (obviamente,
tomando en cuenta el valor de la β típica):
Ya definido el valor de la resistencia del colector y la corriente que pasa por ella,
podemos, sin ningún problema, calcular la corriente de base, y con ello, la
resistencia de base:
Como podemos ver, los valores concuerdan con lo establecido; por lo que
podemos decidir utilizar estos valores de resistencias para nuestro diseño, sin
embargo, debemos tomar en cuenta las variaciones de la ganancia del transistor,
por lo que es deseable encontrar el rango en que el transistor trabaja; así, de
nueva cuenta, al ir a nuestras especificaciones, podemos encontrar los valores de
la β mínima y máxima:
Por lo que podemos definir el rango de trabajo del amplificador:
Ya calculados los valores nominales del amplificador, proceder a su armado y
realizar las mediciones pertinentes:
a. Ya armado el circuito, ajustar el amplificador por medio de una resistencia
variable en RB a los valores nominales antes mencionados (Realizar las
mediciones de VCE e ICQ y compararlas con los valores calculados y los
valores simulados).
Como podemos ver en las simulaciones, los valores coinciden (salvo un
margen muy pequeño de error) con los valores calculados, por lo que
podemos esperar resultados parecidos, o en su defecto, algún valor dentro
del
rango
calculado
en
el
punto
anterior.
En este circuito, comparado con la polarización fija, mantiene sus valores del
rango muy cercanos al valor nominal indicado al principio.
b. Luego de haber obtenido los datos, cambiar el transistor Q1 por otro de las
mismas características y volver a medir los parámetros del punto Q (¡No
alterar de nuevo los valores de las resistencias RB y RC!).
c. Dados los dos valores, obtener el valor de ΔQ:
Con esto respaldamos todavía más la idea que se tenía de la estabilidad
de
esta
polarización.
c. Agegar una resistencia RE = 220Ω y de nueva cuenta, repetir la medición
del punto de operación Q para los dos transistores, además de calcular el
nuevo valor de ΔQ.
Figura obtenida:
Figura 9: Inclusión de la resistencia de emisor en el amplificador con polarización en
retroalimentación
Cálculos para el amplificador:
Valores típicos:
Rango de funcionamiento del transistor:
Cambio de RC
Figura:
Figura 10: Variación de la resistencia de colector del amplificador con polarización en
retroalimentación
Cálculos para el amplificador:
Valores típicos:
Alimentar el amplificador con una señal senoidal de una frecuencia de 1 KHz con una
amplitud de 15 mV(pp) (de no conseguir el valor indicado en el generador, obtener dicho
valor
por
medio
de
un
divisor
de
voltaje).
(NOTA: Para evitar la complicación de que el amplificador no esté acoplado, es
necesario conectar en serie un capacitor entre el generador y la entrada de dicho
amplficador, así como otro capacitor en serie entre la salida del amplificador y la carga).
Después de medir dicho voltaje y observar la amplificación de la señal, colocar un
capacitor en paralelo con respecto a la resistencia de emisor y describir lo sucedido:
Figura 12: Amplificador en configuración colector común con
retroalimentación
polarización en
monoetapa
Figura 13: Amplificador en configuración colector común con
retroalimentación y resistencia de emisor monoetapa
polarización en
Escala
de
división
Horizontal:
Escala
de
división
Vertica
canal
X
Escala de división Vertica canal Y (salida): 0.5 V/div
0.2
(entrada):
0.1
ms/div
V/div
Canal X = 60 mV
Canal Y = 1.2 V
Frecuencia = 1 KHz.
Figura 14: Gráfica del osciloscopio que resulta de las señales de entrada y salida del
amplificador
Al calcular la ganancia de voltaje para esta polarización, podemos notar que perdimos
mucho en esta cuestión de una polarización a otra, sin embargo, hay que hacer notar
que luego de incrementar el voltaje de entrada del amplificador, éste no llega al punto
de sobre-excitación tan fácilmente (a lo largo de la práctica insistimos en alimentar hasta
los 15 volts y notamos que a pesar de este elevado voltaje, el amplificador seguía
trabajando sin problema de que la señal fuera distorsionada).
Colocar a máxima amplitud el generador para sobre-exitar al amplificador; en este
estado detectar, por medio del osciloscopio, las regiones de corte y saturación del
transistor.
Para poder observar y detectar las regiones de corte y saturación, es necesario colocar el
selector del Osciloscopio en la posición de "dc" (la zona encerrada en el círculo verde en
la siguiente imagen), para poder desplazar la gráfica hacia el orígen... de esta forma se
tendrá una visión más clara del proceso.
Cuestionario
1. ¿Qué es el punto Q? Es aquél punto donde la recta de carga se intersecta con
alguna curva característica del dispositivo a usar que en esta práctica fue un
transistor. Representa la cantidad de voltaje y corriente que dará el circuito de
transistor con respecto a la configuración a la que se encuentre conectado y el
valor de sus elementos.
2. ¿Cuál es el efecto de RC en el punto Q? RC no tiene efecto directo en el punto Q,
ya que aunque esta resistencia se varíe, la cantidad de corriente que circula en el
colector depende más directamente de la beta del dispositivo y de la corriente de
base que se encuentre entrando al transistor.
3. ¿Qué efecto tiene RE al ser incluida en un circuito de polarización fija? Al ser
incluida una resistencia en el emisor, se produce un efecto llamado
retroalimentación negativa la cual tiene por objetivo compensar las variaciones
de voltaje y de corriente que la beta del dispositivo pueda ocasionar, solo con la
desventaja de disminuir la ganancia de amplificación.
4. ¿Qué efecto tiene RE al ser incluida en un circuito de polarización por
retroalimentación por colector? En esencia tiene el mismo efecto que la resistencia
de emisor de la pregunta anterior.
5. ¿Cuál es el efecto de RB en el punto Q? RB juega un papel preponderante en el
funcionamiento de un amplificador, ya que según el valor que esta resistencia
pueda tener, mientras menor sea, la corriente de base que pasa es grande con lo
que la corriente de colector también es grande, y de manera contraria, al
aumentar la resistencia de base, la corriente que pasa en la base es menor con lo
que la corriente de colector también disminuye. En pocas palabras, al variar la
resistencia de base, estaremos moviendo a su vez al punto de operación Q.
6. ¿Cuáles son las diversas causas por las que el punto Q se mueve usando un mismo
modelo de transistor? El punto de operación se mueve aunque usemos varios
transistores del mismo modelo debido a que cada transistor tiene diferentes valores
para beta, esto por los diferentes procesos en su fabricación. Pero consideremos
que las betas son casi iguales, y sigue variando, esto debido a la temperatura a la
que se encuentra trabajando el dispositivo (quizá uno de los dispositivos estuvo
demasiado tiempo sujetado entre las manos de una persona y la temperatura que
tiene el dispositivo es la del cuerpo humano). Si se implementa una
retroalimentación negativa por medio de una resistencia de emisor es probable
que las variaciones sean casi imperceptibles.
7. ¿Qué relación existe entre la resistencia de emisor y la ganancia? La ganancia
disminuirá cuando se coloque una resistencia de emisor debido a que esta
resistencia representa una caída de potencial más, y hay que recordar que la
ganancia es la relación de voltaje de salida con el voltaje de entrada, así que esta
caída de potencial en la resistencia de emisor, representa una pérdida para el
voltaje de salida.
8. Respecto a la pregunta anterior, ¿cómo se puede eliminar el efecto de reducción
de ganancia de la resistencia de emisor? La respuesta es tal que podemos colocar
un capacitor (siempre y cuando haya una señal de entrada que varíe con el
tiempo), el capacitor debe ser grande y debe estar colocado en paralelo con la
resistencia de emisor con el fin de que parezca que existe un corto virtual en la
terminal de emisor que lo lleva directamente a tierra, claro que habrá
retroalimentación negativa.
9. ¿Por qué son importantes los acoplamientos tanto en la entrada como en la salida
del amplificador? El primer acoplamiento es para poner acoplar tanto la
impedancia de entrada al circuito del amplificador como la impedancia de
entrada del dispositivo que esté enviando la señal a amplificar. El segundo
capacitor tiene la propiedad de evitar el defasamiento que existe entre la señal
de entrada con la de salida.
10. ¿Cómo detecto las regiones de corte y saturación en un amplificador sobre –
excitado en la carátula de un osciloscopio? Al ser demasiada grande la señal de
entrada a ser amplificada, es posible observar que existen deformaciones en la
señal de salida, debido a que el amplificador quiere amplificar la señal entrante
aunque sus condiciones ya no lo permitan. En el osciloscopio se conmuta el
selector de canal a CD con lo que el nivel de referencia que se tenía en CA,
bajará al pico inferior y podremos ver que cuando la señal (casi cuadrada) se
encuentra a un nivel aproximado de Vcc (como si fuera un 1 lógico) diremos que
el transistor se encuentra en la región de corte, mientras que si no hay voltaje
(estado 0 lógico) el transistor habrá entrado a la región de saturación.
COCLUSIONES
EN ESTA PRÁCTICA COMCLUIMOS LA IMPORTANCIA DE LA RESISTENCIA EN EMISOR YA QUE
HACE MAS ESTABLE EL CIRCUITO Y ASI MISMO PODEMOS PONER EL PUNTO DE OPERACIÓN
DONDE NOS SEA DE MAS AYUDA YA SEA EN SATURACIÓN, CORTE O EN LA MITAD DE LA
GRÁFICA.
GUERRA VEGA ROGELIO