Diseño de amplificadores

Diseño de Circuitos y Sistemas Electrónicos. Punto de operación estable. Circuito de polarización. Ganancia en voltaje

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OBJETIVO

  • Diseñar mediante BJT dos etapas amplificadoras con una ganancia de voltaje de 10 cada una y acoplarlas en cascada con la intención de conseguir en global una ganancia de voltaje de 100. Poniendo atención en obtener un punto de operación estable.

INTRODUCCIÓN

EMISOR COMÚN

RB RL RB RL

La conexión con emisor a tierra es una de las más empleadas en amplificadores a transistor. En un transistor con emisor a tierra la fase de la señal de entrada se invierte. Esto se debe a que la señal de entrada va de la base al emisor, lo contrario sucede en el transistor en base común.

La ganancia de corriente para este circuito es:

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En esta configuración el transistor tiene una gran ganancia de corriente por lo que la Ic siempre es > Ib.

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Debido a que las resistencias de entrada y salida presentan las mismas características que en la configuración base común, la RB < RL, y la ganancia de corriente es por tanto mayor en la configuración emisor común que en base común.

El primer paso consistirá en fijar ciertos parámetros para hacer más fácil el diseño, los valores que conocemos son:

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El análisis se realizará en CD y CA, el primero de ellos es en CD para fijar los valores de polarización para garantizar que el transistor trabaje en la región activa, el diseño será mediante cuatro resistencias como se muestra:

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Calculamos el equivalente de Thévenin para el circuito de polarización de la base,

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de la malla de entrada calculamos la Ib

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para la malla de entrada nuestra hipótesis es Diseño de amplificadores
por lo tanto en cada una de las resistencias de colector y emisor cae también Diseño de amplificadores
y como

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entonces proponemos a Diseño de amplificadores

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para que el punto de polarización sea más estable

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el Vb lo calculamos así Diseño de amplificadores

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ahora solo resta saber los valores de R1 y R2

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Resultados numéricos

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Para el análisis en CA es necesario usar el modelo de señal pequeña, este análisis lo utilizaremos únicamente para obtener un resultado estimado de la resistencia de colector para la ganancia de voltaje de 10 antes mencionada

El valor arrojado por el análisis es RC = 270ð y rð ð 5.2k

Ya en la práctica para mejorar el desempeño del amplificador y obtener la ganancia deseada, la primera etapa es como se muestra:

Simulación para una etapa

entrada

Salida

Como podemos notar en las simulaciones nuestra ganancia en voltaje es aproximadamente de 10, con un desfasaje de 180°, que lo denota la señal de salida invertida con respecto a la entrada.

La frecuencia de trabajo es de 10kHz para evitar que la vista de la salida no se encuentre en amplitud máxima.

Ahora acoplamos las dos etapas:

Simulación

entrada

Salida

Como el diseño es para señales pequeñas, si la entrada es demasiado grande podemos provocar que la segunda etapa entre en saturación, para evitar estos efectos indeseables disminuimos la señal de entrada hasta 2mVpp. En la simulación se muestran ambas señales, la salida mostrada casi está en fase con la entrada pues la primera etapa introduce un desfasamiento de 180° y la segunda también, así que teóricamente no existe desfasamiento alguno.

MEDICIONES

Voltaje de entrada

VS

Voltaje de salida

V0

1.1mVp

108.3mVp

VB

(mVP)

VC

(mVP)

Q1

1.1

10.4

Q2

10.4

108.3

CONCLUSIONES

En el diseño propio del amplificador es importante hacer énfasis en verificar que este trabaje en la región activa, para esto es importante auxiliarse de las curvas proporcionadas por el fabricante de tal manera que el diseño fije los parámetros de polarización para que cuando manifestemos en el una señal de entrada esta no lo haga llegar a la saturación o al corte, con ±30% de margen se puede conseguir este funcionamiento.

En términos de la ganancia cabe notar que se necesita hacer el análisis en CA para pequeña señal para obtener un valor estimado de la RC, ya en la práctica, para estabilizar el amplificador en términos de la ganancia y punto de operación, se decidió variar los valores de las resistencias de colector y emisor. Ya que la caída de voltaje en la resistencia de emisor debe ser aprox. igual al VB también se tuvo que variar un poco a las resistencias de polarización de la base.

Estos nuevos valores nos otorgan la operación deseada de nuestro amplificador con ganancia en voltaje de 100.

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