PRACTICA 4 AMPLIFICADOR CON TRANSISTOR BJT

4.1 Amplificador de voltaje con ganancia de 10

AMPLIFICADOR CON TRANSISTOR BJT

El principal problema que nos encontramos es la falta de valores de los elementos pasivos de polarización, por lo tanto carecemos de un punto de partida a partir del cual podamos ir calculando los demás valores significativos del circuito. Por lo tanto lo que se hará es seguir el método clásico de análisis de circuitos transistorizados que trabajan como amplificadores por tanto supondremos que están trabajando en su zona activa para así realizar su misión, de esta forma despejaremos los valores mas significativos para nosotros (ganancia, resistencia de entrada…) y los dejaremos en función de los parámetros del circuito, de esta forma podremos ver como se relacionan unos con otros y así ver cual puede ser la solución mas óptima.

Hay que hacer una observación, el valor de la fuente de alterna es de 20 mV y este valor de tensión es el que cae en la conexión base emisor del transistor por lo tanto siempre estaremos violando la condición de pequeña señal que establece que VBE (MAX) no debe de sobrepasar los 10 milivoltios para que el transistor trabaje en una zona cuasi lineal de forma que no haya distorsión.

Luego partimos de la base de que con esta configuración siempre vamos a tener una distorsión más o menos significativa debido al elevado valor de pico de la fuente de alterna.

Hechas estas consideraciones pasaremos a realizar el análisis clásico de este amplificador.

La configuración amplificadora más usada del transistor bipolar es la de emisor común. Se denomina así porque la señal de entrada se introduce entre base y emisor y la señal de salida se obtiene entre colector y emisor, de modo que el emisor es el punto común de referencia para ambas señales.

En la siguiente figura se muestra la red de polarización del transistor en una etapa de emisor común tal como se estudió en el apartado teórico de esta práctica.

Recuerde que las resistencias R1, R2, RC y RE fijan el punto de operación del transistor. La fuente Vs introduce la señal que va a ser amplificada y el condensador C1 actúa como un condensador de acoplo que impide que la introducción de la fuente de pequeña señal (Vs) altere el punto de polarización determinado mediante las resistencias (a efectos de la tensión de continua este condensador es un circuito abierto).

El condensador C2 tiene la finalidad de ocultar la resistencia RE a efectos de la amplificación de la señal, es decir, que a la frecuencia de la señal prácticamente está cortocircuitando a RE con el objetivo de aumentar la ganancia, mientras que en continua es como si fuera un circuito abierto y por tanto la resistencia RE actúa mejorando la estabilidad del punto de operación y por tanto de la ganancia frente a variaciones de los parámetros del transistor.

Análisis en continua

Procederemos ahora a realizar el análisis en continua de la malla de salida del amplificador para obtener la recta de carga, y visualizar su dependencia con los elementos pasivos cuyo valor desconocemos

Aplicando la ley de Kirchoff de los voltajes tenemos:  

IC = -( Vcc - Vce )/Rc. Donde desconocemos el valor de la resistencia de emisor.

  

a. b.

c:

Al realizar el análisis en corriente continua, se eliminan todas las fuentes de señal alterna y sustituiremos los componentes por su equivalente para continua.

En corriente continua, el circuito de entrada ejerce un control sobre el circuito de salida. La aplicación por excelencia, posiblemente se encuentra en el concepto de amplificación: bajo

determinadas condiciones podemos conseguir que la corriente de colector sea proporcional a la corriente de base.

Para terminar con nuestro análisis debemos suponer que ahora aplicamos una señal al circuito y veremos cómo varía el punto Q

En la figura vemos un ejemplo, donde se muestra el punto Q en ausencia de señal y cómo varía con la aplicación de una señal de entrada.

Es importante verificar bien el lugar de ubicación del punto Q, dado que si queremos que el transistor opere en la zona activa y polarizamos a éste en un punto Q cercano a la zona de saturación, corremos el riesgo de que cuando le aplicamos una señal de entrada, Q se desplace hacia la zona de saturación, dejando la zona activa. Para evitar este problema conviene analizar siempre antes la variación de Q en nuestro transistor y verificar que no salga de la región donde queremos que trabaje.

Análisis de Corriente Alterna

Los transistores tienen un modelo equivalente que permite aplicar los métodos tradicionales de análisis de circuitos (mallas, nodos). Estos modelos se obtienen del estudio de las ecuaciones que rigen el comportamiento de los transistores.

Existen varios modelos para simular el comportamiento del transistor en alterna, él más popular es el modelo en parámetros h.

Para realizar el estudio en alterna, cortocircuitaremos las fuentes de tensión de voltaje continuo, consideraremos los condensadores cortocircuitos, (gran capacidad), y utilizaremos el modelo de pequeña señal del transistor. Esto se muestra en el esquema de la figura:

De nuevo aplicando la ley de Kirchoff de los voltajes en la malla de salida obtenemos la ecuación de la recta de carga en alterna. Esta recta de carga debe de pasar por el punto de trabajo (Icq, Vceq) por tanto la ecuación que nos queda es:

(RcRL/ (Rc+RL))(Vce-Vceq)=Ic-Iceq

Operando y simplificando podemos comparar el valor absoluto de las dos pendientes.

Llamaremos Mac a la pendiente en alterna y Mdc a la de continua obteniendo los siguientes resultados Mac= 1+1/RC Y Mdc=1/RC, de esta comparación podemos inferir que la pendiente de alterna siempre va a ser mayor que la de continua para cualquier valor de la resistencia de colector.

Esto nos lleva a pensar que por el lado derecho del punto de trabajo Vceq la que nos va a limitar antes es la pendiente AC.

Procederemos a calcular los parámetros de pequeña señal, es decir, la impedancia de entrada y de salida, la ganancia en tensión, y la resistencia de base del transistor.

El valor de la impedancia de entrada del amplificador es Zin= (R1//R2//rpi), (rpi=hie) la impedancia de salida vale Zout=RC, la ganancia es un parámetro laborioso de calcular que depende de la de las resistencias de colector y de carga de beta y de rpi su ecuación es:

GV=-(Bib (RC//RL))/rpi de esta expresión se deduce que la ganancia se hace mas grande cuando RC se hace pequeña.

Optimización del diseño

Una vez halladas las expresiones de los parámetros en pequeña señal nuestro próximo paso será el de obtener la máxima excursión de la señal sin distorsión para ello debemos de recurrir a las rectas de carga en alterna del circuito que son las que nos caracterizan el comportamiento del transistor

Las dos rectas las representaremos en la figura:

En esta gráfica los puntos más significativos para nosotros son el voltaje colector emisor de polarización VceQ, el valor Vce2 en el que Ic=0, es decir el valor de tensión C-E en que el transistor se corta debido a la tensión de alterna y continua. Por último nos interesa el tercer valor que limita la excursión de la señal, es decir, el valor de tensión C-E en que el transistor entra en saturación, esto se produce cuando la corriente de colector tiene un valor de IC=VCC/RC llamemos a este valor VCE1 que está situado a la izquierda del punto de trabajo.

Por lo tanto con estos datos sustituimos en la ecuación de la recta de carga en alterna y despejamos Vce1 y Vce2 quedando las siguientes expresiones en donde hemos sustituido RL=1K.

VCE1=VCEQ - (VCEQ/ (1+RC))

VCE2=-(VCEQ+VCC)/ (1+RC) + VCEQ

Bien, de momento tenemos los puntos que limitan la excursión de la señal, sin embargo, no conocemos su valor ya que dependen del valor de la resistencia de colector y del punto de polarización que los desconocemos. De todo esto se puede deducir que existen un valor de RC y VCEQ que hacen que la anchura de este margen sea máximo por lo cual tendremos que estudiar la expresión |VCE2-VCE1|

Cuyo valor es:  |VCE2-VCE1|=VCC/ (1+RC)

De este resultado debemos resaltar dos cosas:

A) La excursión ya no depende de VCEQ.

B) Se logra una mayor excursión disminuyendo RC. Por lo que el valor de RC solo queda limitado por la potencia máxima que puede disipar el transistor. Por lo tanto recurriendo a la expresión de la potencia calcularemos la RC mínima a la cual el transistor no se quema.

Sabiendo que VCEQ=VCE1 + (|VCE1-VCE2|)/2 =VCC/2

 Para que el transistor no se queme cogeremos la potencia de trabajo como la mitad de la potencia máxima siendo ésta en nuestro transistor real de 0.5 Watt

La expresión de la potencia es la siguiente:

P (MAX)/2=VCEQICEQ

  De esta ecuación podemos despejar RC sin problemas y su valor exacto es de 144 ohm, una vez que tenemos el valor de la resistencia podemos calcular la intensidad de colector cuyo valor es de IC=41.6 miliamperios.

Con este dato podemos saber también la intensidad de base ya que están relacionados con beta, que en nuestro caso es de 190 teniendo por tanto una IB=0.215 miliamperios.

Los valores de las resistencias R1 y R2 calculan fácilmente fijando una de ellas pongamos por ejemplo R1=10K se calcula el equivalente Thevenin y se aplica la L.K.V. como se muestra en la figura:

 La ecuación que se obtiene es:

VCCR2/ (R1+R2)= IBR1R2/ (R1+R2) + 0.7

Obtenemos aquí que R2=0.764K

Para terminar el cálculo teórico solo nos queda hallar los valores de los parámetros de pequeña señal, que se obtienen sustituyendo en las expresiones de los apartados anteriores.

GV=210, rpi=116.27ohm, ZIN=99ohm, ZOUT=144ohm.

Los condensadores tendrán una capacidad suficiente para que la frecuencia de corte inferior esté muy alejada de la frecuencia de funcionamiento, por tanto una capacidad de 10 microfaradios para cada uno se considera más que suficiente

AMPLIFICADOR DE VOLTAJE CON GANANCIA DE 10