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Pr´actica Pr a´ ctica de laboratorio No. 1: Amplificadores de Peque˜ Pequena n˜ a Se˜ Senal n˜ al con BJT Vladimir C´ Cardenas a´ rdenas ,
[email protected], cod. ´ 261830 Wilson Pena, n˜ a,
[email protected], cod.261820 ´ Jennifer Zuluaga,
[email protected], c od.261823 ´
Abstract—Most electronic devices are based on analogue electroni tronics, cs, howev however er and despit despitee most most analog analogue ue transi transisto stors rs used used these these days days are are FET or MOSFET MOSFET transi transisto stors, rs, BJT transi transisto stors rs are highly used on many power circuits. That’s the reason why these transistors were characterized and analyzed in this paper. We are are going going to prese present nt a very very short short but but clonc cloncusi usive ve repor reportt on a single single transi transisto storr (2N390 (2N3904) 4) configu configure red d in the four four basic basic polarizations, common collector, common base, common emitter with and without degeneration. The configurations are going to be determined by simple supositions such as Collector Emitter Voltage (V CE ), voltage gain on the amplifier (Av ), or Collector current ( I C C ), choosing these parameter will let us design a simple composition for each configuration.
´ I. I NTRODUCCI ON La investigaci´on on electr´onica onica es uno de los principales compone ponent ntes es en la actu actual alid idad ad para para el desa desarr rrol ollo lo,, ya sea sea con con fines puramente puramente comerciales, comerciales, altruist altruistas as y dem as, a´ s, dentro dentro de esta investigaci on, o´ n, se han llegado a estados de avance fuera de prop propor orci cion ones es dond dondee los los comp compon onen ente te son son tan tan bast bastos os y amplios amplios que no se podr´ podr´ıan ıan clasificar clasificar dentro dentro de la electr´ electr´onica onica propiamente en la actualidad, sin embargo, si podemos atribuir el desarrollo de la electr onica o´ nica moderna, al desarrollo de nuevos metodos e´ todos de an´ analisis a´ lisis y dise dise nos n˜ os basado basadoss en transi transisto stores res que inicialmente eran BJT, por esto realizamos la caracterizaci on o´ n que se presenta este documento donde con dise˜nos nos sencillos encontram encontramos os diferent diferentes es puntos puntos de operaci´ operaci´on o n y an´alisis alisis para cada uno de estos, ya sea que estemos analizando su ganancia o de tension o´ n (Av = V ), su punto de polarizaci on o´ n o su ancho V i de banda (ωm = ωmax a´ lisis ´ x − ω m´ a in ). A partir de estos an alisis se presenta presentar´ r´an an las conclu conclusio siones nes para para cada cada transi transisto storr y su configuraci´ configuracion. o´ n.
I I . O BJETIVOS •
•
•
Realizar el dise˜ diseno, n˜ o, simulaci simulaci´on ´ e implementaci on o´ n de un amplifica amplificador dor BJT en configurac configuraci´ i´on o n emis emisor or com´ com´un u n sin sin degenerar, base com´un un y colector com´un. un. Verificar que la teor´ teor´ıa ıa vista en clase para las configuraciones de los transistores BJT coincide con lo obtenido en el laboratorio. Analiz Analizar ar la respue respuesta sta en frecue frecuenci nciaa de las difere diferente ntess configuraciones para el transistor.
Facultad de Ingenier´ıa, ıa, Universidad Universidad Nacional de Colombia Ing. Juan Felipe Gutierrez
´ III. M ARCO T E ORICO La electr electr´onica o´ nica an´ analoga a´ loga inici inicio´ con el descub descubrim rimien iento to del tuvo tuvo de vac vac´ıo, ı o, sien siendo do este este el mas a´ s import important antee avanc avancee en la electr electr´onica o´ nica del moment momento, o, difere diferente ntess facto factores res,, como como las guer guerra ras, s, las las mega mega comp compa˜ a˜nias nias que surg´ surg´ıan ıan gracia graciass a las difere diferente ntess disput disputas as terri territor torial iales es y religi religiosa osas, s, entre entre otras, otras, hicieron que las investigaciones en electr onica o´ nica avanzaran tan rapido a´ pido que los tubos no tuvieron tiempo de envejecer cuando ya ten ten´ıamos ıamos el desarr desarroll ollo o de los diodos diodos semico semicondu nducto ctores res,, hechos hechos con difere diferente ntess metale metaless con un alt´ alt´ısimo ısimo grado grado de pureza, as´ as´ı mismo los diodos semiconductores produjeron un boom en el desarrollo electr onico ´ por lo que surgi o´ de aqu´ aqu´ı la base de la electr onica o´ nica cuando en Farchild semiconductors unieron dos materiales dopados con electrones y uno dopado con falta falta de electr electrone oness (hueco (huecos), s), forman formando do as´ as´ı el primer primer ´ transistor siendo esta la base de toda la electr onica. Mucho Muchoss transi transisto stores res han sido sido fabri fabricad cados os desde desde entonc entonces, es, sin sin emba embarrgo, go, en este este docu docume ment nto o nos nos limi limita tamo moss a los los transist transistores ores BJT, en especial especial al transist transistor or ” 2N3904”, siendo siendo este un transistor NPN. Las principales configuraciones para los transistores NPN se muestran a continuaci on. ´
Emisor Com´ Comun: ´
Esta configuraci on o´ n es caracter´ caracter´ıstica ıstica en sistemas con ganancia alta, alta, donde podemos mostrar mostrar diferent diferentes es configurac configuraciones iones,, en la figura figura 1 observ observamo amoss un emiso emisorr com´ comun u´ n sin degenerar degenerar,, sin embargo, la configuraci on o´ n alternativa se presenta cuando se quie quiere re un anch ancho o de band bandaa m´as as grande grande y se realiza realiza una configuraci´ configuracion o´ n en degeneracion, o´ n, es decir, retiramos el capacitor que tenemos en la resistencia del emisor, as´ as ´ı, ı, aunque tengamos una disminuci on o´ n significat significativ ivaa en la potencia, potencia, podemos tener un ancho de banda mucho m as a´ s grande y poder trabajar con frecuencias m´as as altas.
Base Com´ Comun: ´
La configuraci configuraci´on o´ n de base comun u´ n se muets muetsra ra en la figura 2 donde podemos observar que la se˜nal nal ingresa al transistor por el emisor y esto condiciona la entrada, por otro lado la salida se encuentra en colector, si observamos el modelo pi que se encuen encuentra tra en la figura figura 4 vemos vemos que la entrad entradaa compar comparte te la resist resistenc encia ia con la salida salida,, por lo tanto tanto la vari variaci aci on o´ n en la resistencia de entrada nos var´ var´ıa ıa la impedancia de salida.
Universidad Nacional de Colombia. C a´ rdenas, Pen˜ a, Zuluaga, Amplificadores B´asicos BJT, Febrero de 2015.
este est´a siendo analizado en corriente alterna, sin embargo, se encuentra limitado a valores de se n˜ ales muy peque n˜ as.
Figure 4: Modelo pi de an´alisis en peque˜n a se˜nal Adem´as de este modelo, debemos implementar ciertos c´alculos necesarios para comprender y trabajar el circuito en su equivalente PI , las ecuaciones m a´ s importantes son: V be
I c = I s e V t
Figure 1: Configuraci o´ n en emisor comu´ n sin degenerar [4]
(1)
Donde el voltaje V be se supone inicialmente 0.7V , sin embargo, al escoger nosotros inicialmente la corriente que necesitamos podemos hallar el voltaje colector-emisor aproximadamente real, teniendo en cuenta que V T es el voltaje t´ermico caracter´ıstico de cada transistor y suministrado por la empresa manufacturera, sin embargo podemos utilizar como valor general V T = 25mV , siempre que se est e´ trabajando a temperatura ambiente. Otra ecuaci o´ n importante el la resistencia r 0 :
V A + V CE I C
Figure 2: Configuracio´ n en base com´un [4]
Adem´as de esto tenemos la ecuaci´on que nos relaciona la fuente dependiente del esquema en la figura 4, donde decimos que la relacio´ n para la fuente es: I gm = V BE gm, donde gm est´a dado por:
gm =
Colector Com´ un:
Por u´ ltimo tenemos la configuraci´on de colector com´un donde la entrada se da de nuevo por base y la salida se da por emisor, para esta configuraci´on tenemos que las impedancias son realmente apropiadas para diferentes configuraciones ya sean impedancias de entrada altas o bajas, asimismo se pueden configurar impedancias de salida altas o bajas.
(2)
I c V T
(3)
Finalmente tenemos los par a´ metros establecidos y las ecuaciones necesarias para hacer un an´alisis concreto para el sistema. IV. R ESULTADOS Para la realizaci o´ n de la pr´actica de laboratorio se hicieron ciertos dise˜nos que permiten desarrollar los objetivos de forma apropiada. A continuaci´on se presentan los resultados obtenidos Colector Com´ un
Para este dise n˜ o, se requer´ıa utilizar un transistor BJT en un circuito sencillo de amplificaci o´ n, donde el u´ nico requisito para este era tener una corriente de colector I C de 5mA.
Figure 3: Configuraci´on en colector com´un [4] Para el an´alisis en pequen˜ a se˜nal (V in ∼ 10V p ) del circuito utilizaremos el modelo de an a´ lisis pi, mostrado en la figura 4, este modelo nos facilita la interpretaci´on del circuito cuando
El an´alisis de polarizaci o´ n DC se hace necesario, en la intenci´on de garantizar el funcionamiento activo-directo de los transistores implicados, en el caso de la etapa colector com´un, esto se encuentra estrictamente relacionado con el valor de R E , en este caso se busca, adem a´ s, una corriente de 5mA.
Universidad Nacional de Colombia. C a´ rdenas, Pen˜ a, Zuluaga, Amplificadores B´asicos BJT, Febrero de 2015. Tabla 1. Valores reales calculados y resistencias normalizadas
•
gm =
•
ro =
I CQ V T
Resistencia
Valor (Ω)
Calculada
802
Real
820
= 200 mA V
V AF −V CEQ I CQ
= 414, 88Ω
Tabla 2. Resistencias para la polarizaci o´ n del transistor Resistencia
Valor(kΩ)
RB2
2.7
RB1
10
´ con salida a Figure 5: Circuito completo de emisor com un colector comu´ n (R5 representa la resistencia RE .
Al agregar esta configuraci o´ n en la salida del primer transistor se sabe que la corriente que inicialmente circulaba por el colector del primer transistor presentar´a un cambio en magnitud, una parte de ella ser´a aplicada a la base del segundo transistor, con lo cual la tensi o´ n que caer´a sobre este terminal cambiar a´ en igual proporci o´ n. La magnitud de la corriente de base I B2 , puede determinarse a partir de la corriente de polarizaci´on, de la siguiente manera:
I c = 5mA I B =
I c 5mA = = 25µA β 200
El cambio en la corriente de colector viene dada entonces por:
Al verificar la polarizaci o´ n del circuito obtuvimos los siguientes valores. Tabla 3. Resistencias para la polarizaci´on Magnitud
Real
Teo´ rico
Error
IC
4.78mA
4.89mA
2.25%
VCE
8.3 V
7.97 V
4.14%
Apagando las fuentes y utilizando el modelo h´ıbrido PI descrito en la figura 4, llegamos al modelo en peque n˜ a se˜nal. Donde los valores necesarios se muestran a continuaci´on. En la tabla 4 se presentan tanto los valores te o´ ricos y reales de la ganancia calculada como las impedancias de entrada o salida respectivas. Tabla 4. Valores de los par´ametros de colector com´un Ganancia
Z in (kΩ)
Z out (Ω)
Real
0.897
20
261.4
I c1 − I b2 = I c1a
Te´orico
0.935
18.23
287
Por tanto, la nueva tensi o´ n de colector vendr´ıa dada por:
Error
4.23%
1.77%
8.79%
V c = V i = 12 − 560I c1a En la etapa de colector com´un, entonces se sabe que la tensi´o n que cae sobre el colector ( V c2 ) viene dada por la relaci´on:
V i + 0.7 = V E 2 = 4.026V RE =
V E 2 = 802Ω 5mA
´ colector-emisor se resume: Por tanto, se sabe que la tensi on
V CE = V C − V E = 12 − 4.026 = 7.97V
En un principio vemos que la ganancia es casi igual de lo ´ incluyendo que que se esperaba, existen errores de medici on el beta real es mucho m´as bajo que el del modelo spice, en las resistencias de entrada y salida suponemos que el error fue causado por la impedancia de los condensadores y la falta de precisi o´ n de los potenci o´ metros utilizados para dicha medici o´ n, los cuales se colocaron en serie tanto en la entrada como a la salida y se variaron hasta que la se˜nal cayo a la mitad para luego medir la resistencia del potenci o´ metro y ´ la que fijarla como resistencia de salida o de entrada seg un se estuviera midiendo. Lo importante fue que se demostr o´ el comportamiento de una impedancia alta de entrada y una impedancia de salida muy baja.
Ahora bien, los par´ametros necesarios para realizar el an´alisis de peque n˜ a se˜nal se resumen de la siguiente manera: Base Com´ un •
rπ =
βV T I CQ
= 1kΩ
La estructura base para el diseno ˜ del amplificador se muestra en la figura (), el par´ametro de ganancia requerida
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Con estas suposiciones, se plantearon ecuaciones de mallas, basados en el circuito de polarizaci o´ n.
Figure 6: Simulaci o´ n Colector Com´un Completa.
Al hacer uso de las ecuaciones pertinentes (mallas colector a emisor y divisor de tensi on ´ en Base), vemos que la ganancia tiene una relaci´on directa con la resistencia de colector y la resistencia re que se encuentra en funci´on de la corriente, esto puede representar un problema ya que la resistencia re no tiene un valor significativo como para modificar realmente los valores de ganancia y por lo tanto casi toda la ganancia depende de R C . Usando estas ecuaciones, obtenemos que las resistencias calculadas son: • • • •
RE = 3.92kΩ RC = 281.8Ω RB1 = 1kΩ RB2 = 2kΩ
Aproximando estos valores de resistencias a los valores comerciales m´as cercanos, tenemos que sus valores reales utilizados en la pr´atica fueron de: •
Figure 7: Resultados Simulaci´on Colector Com´un en DC.
• • •
se encuentra definida por Av = 2 + (mod(X, 7)/0.5) donde para nuestro caso x = 3 y por lo tanto la ganancia.
RE = 4kΩ RC = 330Ω RB1 = 1kΩ RB2 = 2kΩ
Teniendo estos valores de resistencias, podemos ahora tratar el circuito a modo de an a´ lisis, para hallar la ganancia te o´ rica, y las impedancias de entrada y salida. Para ello, se usaron valores ya normalizados de resistencias. Con esto se obtienen los valores que se ven en la tabla 6: Tabla 6. Valores de los par´ametros de base com´un
Z in
Ganancia
Figure 8: Configuraci´on primaria para dise˜no de base com´un. En esta parte de la pr´a ctica se hizo el dise˜no de un amplificador de una etapa en configuraci on ´ de base comu´ n. El objetivo de diseno ˜ era una ganancia de 3.5 V/V. Para el proceso de disen˜ o se tom´o como referencia este par´ametro principalmente, adem´as se supuso una alimentaci´on total de circuito de 12V y, finalmente, que el valor del divisor de tensi´on puesto a la base aplicara a e´ sta un valor de 1/4 de la tensi´on de alimentaci o´ n. Con estos par´ametros, se hacen 3 suposiciones importantes: Que el transistor se encuentra en modo activo directo, que el voltaje Vbe es de 0.7V, y que el β del transistor es de 300.
Z out
Real
3.16
54.8ω 270Ω
Te´orico
3.5
49.4ω
265.6Ω
Error
9.7%
11%
1.7%
En esta tabla nos podemos dar cuenta que, si bien es cierto que los valores no son exactos, se acercan bastante a los valores calculados. Estas diferencias se pueden dar por la tolerancia de las resistencias, y un (β ) distinto en el transistor usado respecto al β usado para calcular estos valores. Posterior a esto, se realizaron las mediciones del ancho de banda del circuito amplificador, hallando los puntos en que la ganancia ca´ıa a -3 dB. Estos valores son: Tabla 7. Frecuencia de Operaci o´ n para el transistor Valor Frecuencia M´ınima
100Hz
Fercuencia M a´ xima
500MHz
Ancho de Banda
400MHz
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Emisor Com´ un
Para el Emisor Com u´ n realizamos inicialmente el an a´ lisis de polarizaci´on abriendo los condensadores y por lo tanto desconectando la entrada. Por Th´eveninen la base tenemos un V t h y Rt h en serie con la resistencia de 10k de la base calculadas como sigue:
2.7k V t h = 12 = 2.55 12.7k
(4)
Rt h = 10K ||2, 7K = 2, 13K
(5)
Con estos dados se aplica ley de tensiones de kirchhoff, asumiendo V B E = 0, 7v y β = 200 podemos calcular I B ,I E y I C como se muestra a continuaci´on:
La se˜nal de entrada del circuito en emisor com u´ n fue de, aproximadamente, 708mV pp , equivalente a m´as o menos 500mV rms . La se˜nal de salida medida en el osciloscopio fue de 6.5V pp , lo que genera una ganancia de voltaje o = AV V V i
6.5 0.708
= −9.2[V/V ]
Para medir el l´ımite de la frecuencia de banda media de nuestro amplificador, empezamos a variar la frecuencia desde 1KH en adelante, hasta que el valor pico se redujera en un factor de 0.707, es decir 6.5 ∗ 0.707 = 4.6V pp . La frecuencia a que el valor de tensi o´ n a la salida llego´ a 4.6V pp fue 206KH . A partir de esta frecuencia, la amplitud decrece de forma cont´ınua. Tabla 8. Relacio´ n Valores Medidos Vs Calculados Val. Calc. Val. Medido Val. Sin Cap.
V t h − V B E = I B (RT H + 10K ) + I B (82 + (β + 1))
(6)
V T H − V B E I B = = 64, 66µA RT H + 10K + 82(β + 1
(7)
I E = I B (β + 1) = 12.99mA = I C
(8)
Ahora partiendo de I c = I C Q Y I E = I E Q aplicamos nuevamente ley de tensiones y procedemos a calcular las resistencias para el modelo de peque˜n a se˜nal y finalmente utilizamos el modelo pi para los calculos de impedancias y ganancias como sigue en las ecuaciones.
V C (V )
4,725
3.27
3.27
V E (V )
1,065
1,2
1,12
V CE (V )
3,66
2.17
2,17
I C (mA)
12,99
15.24
15.24
AV (V /V )
-9,00
-9.38
-7,42
Z Out (Ω)
483,04
492
587
Z In (K Ω)
1,79
1,75
2.365
Todos los c´alculos, montajes, medidas y procedimientos se realizaron de la misma manera con el circuito amplificador com´un con el emisor en degenera miento.
(9)
12 − 560I C Q − 82I E Q = V E CQ V C EQ = 3.66 βV T 200(25mV ) rπ = = = 384, 91Ω I C Q 12.99mA V A F − V C EQ 74.03 − 3.66 r0 = = = 5.42K Ω I C Q 12.99mA 2, 55 − 12.3K (I B ) − 0, 7 − 82I B (β + 1) = 0 I B = 64, 66µA; I E = 12.99mA 12v − 560I C − 82I E = V C E = V C E = 3, 66v V E = I E ∗ RE = 1, 065 V C = 4, 725 I C 12.99mA gm = = = 0.5196[A/V ] V T 25mV
(10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19)
Una vez realizados estos c a´ lculos, procedimos a realizar el montaje y las mediciones de cada uno de los par´ametros m´as importantes de la configuraci´o n de emisor comun. ´ La tabla 8 muestra la comparaci o´ n entre los valores calculados y los valores medidos en el laboratorio. En la tercera columna de esta tabla tambi´en se encuentran los valores de dichos par´ametros al suprimir el condensador de acople en paralelo con la resistencia del emisor. Seg´u n el modelo π planteado y mediante los c a´ lculos registrados en la bit a´ cora, calculamos una ganancia de voltaje o AV V = −9.008[V /V ] V i
Figure 9: V i y V o del amplificador en emisor com u´ n
´ Ganancia Emisor Com u´ n. Figure 10: Simulaci on
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´ V. AN ALISIS Colector Com´ un
Es interesante analizar c o´ mo se comporta esta configuraci o´ n despu´es de obtener los resultados de los laboratorios y llegar a distintas conclusiones de esta configuraci o´ n. En primer lugar observamos que no hay una ganancia de voltaje por eso esta configuraci o´ n tambi´en es conocida como seguidor de voltaje ya que la misma entrada se ve reflejada en la salida en amplitud y fase. Otra caracter´ıstica que podemos observar tanto en el te´orico como practico es la alta impedancia de entrada y la baja impedancia de salida, lo cual hace esta configuraci o´ n ideal para el acople con cargas de peque n˜ a impedancia, caracter´ıstica que es posible observar desde el modelamiento de las dos etapas del circuito base (Emisor Com´un- Colector Com´un) y una mejor transferencia de potencia. Al acoplar la etapa de colector con la de emisor el ancho de banda est´a dado por el emisor ya que aunque en frecuencia bajas son similares estando en el orden de las centenas de Hertz, la frecuencia alta es m a´ s baja en el colector limitando as´ı la banda de trabajo a la configuraci o´ n de capacitancias de la etapa de colector com´un, como se puede observar en la simulaci´on.
Adem´a s de esto, podemos ver en las figuras 11,12 y 13 donde variamos el β , que las ganancias tienen dependencia m´ınima respecto a este y, como se explic´o en los c´alculos, estos valores dependen en gran medida de la resistencia de colector.
Figure 12: Resultados Simulaci o´ n Base Comu´ n Hfe=57.
Figure 11: Simulaci´on Ancho de Banda Colector Com´un.
Base Com´ un
Al analizar los comportamientos de ganancia e impedancias de este amplificador, se puede ver que, si bien no presenta ganancias muy altas de tensi o´ n, tiene valores muy estables de impedancias, en especial cuando se necesitan impedancias de entrada bajas, adem´as tiene una ventaja respecto a los dem´as amplificadores en cuanto a su ancho de banda, y esta es que como no presenta efecto capacitivo Miller dada la relaci´on directa que existe con re , entonces los polos del sistema presentan un corrimiento hacia la derecha amplificando el ancho de banda de respuesta a altas frecuencias. Ahora, si comparamos los valoreas de impedancias de este ´ veremos amplificador con el amplificador de emisor com un, que son valores de impedancias bastante diferentes, en este caso, la impedancia de base com´u n nos genera un ligero problema a la entrada ya que al presentar un valor tan bajo tenemos que tener resistencias del generador que no sean comparables para tener as´ı una transferencia de energ´ıa m´axima, cosa que no se presenta con el emisor com u´ n que tiene valores realmente altos y as´ı la se˜nal de entrada puede transferirse completamente.
Figure 13: Resultados Simulaci´on Base Com´un Hfe=117.
Figure 14: Resultados Simulaci o´ n Base Com´un Hfe=317. Finalmente, vale la pena tener en cuenta que las caracter´ısticas presentadas anteriormente en la configuraci o´ n Base Com´ un con BJT, son precisamente las que hacen de este una muy buena opci´o n de acople entre etapas de
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Figure 15: Simulaci o´ n Ganancia y DC Base Com u´ n.
amplificaci´on si lo que se busca de manera prioritaria es una banda de operaci o´ n alta sin sacrificar en grandes porcentajes la ganancia lograda, sin embargo, es claro que la relacio´ n entre estos dos tipos de variables es necesariamente inversa esto es: el costo por ampliar considerablemente la banda de frecuencia de un sistema repercute en la disminuci o´ n de su ganancia.
respecto a la resistencia de entrada. Ahora, respondiendo a la pregunta de por qu´e se invierte la se n˜ al de salida con respecto a la se˜nal de entrada, esto se debe a al efecto de la carga: Si aumenta la tensi´on de base, aumenta tambi´en la corriente de base, y aumenta la corriente de colector un n´umero de veces superior, igual a la ganancia del mismo. Amplifica corrientes. El aumento de la corriente de colector hace disminuir la tensi´o n de colector, por que parte de la tensi´on de alimentaci´o n cae en la resistencia de carga. El resultado es, simplemente,que ante un aumento de la tensi o´ n de base se diminuye de la tensi o´ n de colector, lo cual implica una Inversio´ n.
Respecto a la frecuencia l´ımite de operaci o´ n en banda media, sabemos que la tensi´on a la salida empieza a disminuir al superar e´ sta frecuencia, debido a el papel que entrar a desempe˜nar las capacitancias internas del BJT que act u´ an entre la Base y el Colector y entre la Base y el Emisor, alterando el modelo π y por tanto, las ganancias de voltaje y de corriente. Por otro lado, al retirar el condensador que se encuentra en paralelo con la resistencia del emisor, nos enfrentamos ante Emisor Com´ un un circuito amplificador en emisor com u´ n diferente que es Una vez que obtuvimos los resultados experimentales, pro- denominado ”Emisor Com´un Degenerado”. Como podemos cedimos a realizar la comparacio´ n entre e´ stos y los val- observar en la tabla 8, esto afecta los valores de ganancias ores calculados, pues era evidente la diferencia entre los y de imedancias de entrada y salida del amplificador. Por un valores calculados y los valores medidos. De esta manera, lado, vemos que las impedancias de entrada y salida aumentan encontramos que, principalmente, la diferencia radica en el y que la ganancia de voltaje dismuye en un factor considerable. hecho de haber asumido desde el inicio un β del transistor En contraste a esto, la frecuencia l´ımite de operaci´on en banda ´ igual a 200 para realizar los c a´ lculos teoricos. Con los datos media aumenta, ya que en este caso, la ganancia se redujo en experimentales y realizando el c a´ lculo respectivo, encontramos un factor de 0.707 cuando llego a los 239KH z que realmente es Beta del transistor es de de aproximadamente Esta configuracio´ n presenta ciertas ventajas al momento de β = 380. Esta suposicio´ n permitio´ acercarnos a un c a´ lculo de trabajar con ella, en especial en ganancias cuando se utilizan ganancia y a un punto de operaci´on del transistor aproximado. valores apropiados y el emisor no se encuentra degenerado. Como vemos nuestra ganancia para un emisor sin degenerar es V alorMedido − V alorCalculado la m´as alta de todas las configuraciones adem´as, tiene un valor Error = ∗ 100 = 14% de entrada bajo sin embargo, su ancho de banda es menor. Si V alorV alormedido analizamos el emisor degenerado encontraremos un ancho de Error que es notablemente corregido al re calcular el valor banda mayor, con una impedancia de entrada mayor, lo cual de la corriente I C con un β = 380. As´ı el error se reduce a: es sumamente bueno ya que podemos garantizar ”m a´ xima” transferencia al circuito, sin embargo su ganancia se reduce V alorMedido − V alorCalculado 15.24 − 15.11 Error = = = 0.85% considerablemente. A pesar de que esto puede adecuarse, la V alorV alormedido 15.24 ganancia del emisor degenerado siempre estar a´ disminuida respecto al emisor sin degenerar. Es decir que, finalmente, la corriente calculada se aparta en un 0.85% de la corriente calculada. V I . C ONCLUSIONES El error porcentual de la ganancia de voltaje est a´ dado por:
El amplificador en configuraci´on de Emisor com´un ofrece una alta ganancia de voltaje con inversi o´ n de fase, en V alorMedido − V alorCalculado 9.38 − 9.00 relaci´on con las dem´as configuraciones. igualmente, preError = = = 4.05% V alorV alormedido 9.38 senta una baja resistencia de entrada y una alta resistencia de salida, respecto a la de la entrada. Cuando es un emisor degenerado, es decir, se suprime el condensador que es debido a varios factores, entre ellos el valor real de en paralelo con la resistencia de emisor, las impedancias las resistencias y su respectiva tolerancia, la incertidumbre y de entrada y de salida del amplificador aumentan, al error de los equipos de medici´on y de generaci´o n de se˜nal. igual que el ancho de banda media de operaci o´ n, pero Tambi´en podemos notar que la resistencia de salida de disminuyendo notablemente la ganancia de tensi o´ n. Por un amplificador en emisor com u ´ n es relativamente alta con esta raz´on, es importante verificar el uso o aplicaci´on •
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Figure 19: Medici o´ n Completa in Emisor Out Colector.
Figure 16: Resultados Simulaci o´ n Emisor Com´un Hfe=50.
principales. La primera de ellas tiene que ver con la capacidad que tiene de entregar a la salida la cantidad de corriente con que se alimenta a su entrada, es decir, act´u a como un buffer de corriente, la segunda tiene que ver con el hecho de que la se n˜ al aplicada a la entrada de este sistema no se ve invertida a la salida y, finalmente, el ancho de banda que es capaz entregar es mucho mayor que el de otras configuraciones.
R EFERENCES [1] S. Sedra & K. C. Smith, Circuitos Microelectr onicos , 4ta Edicio´ n 10, ´ Octubre 2012. [2] R. L. Boylestad, Introducci´ on al an´ alisis de circuitos 10ma Edici´on, 2004 onicos y fot´ onicos: [3] L. P. Vi˜nas, J. Calderer Cardona Dispositivos electr´ fundamentos, Univ. Polit`ec. de Catalunya, 2006 pp 235-245. [4] Gu´ıa de trabajo proporcionada por el profesor.
Figure 17: Resultados Simulaci o´ n Emisor Com´un Hfe=300.
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que se le dar´a y as´ı escoger la configuraci´o n que m´as convenga. ´ se utiliza como un La configuracio´ n en colector com un acople de impedancia ya que cuenta con una R i n Alta y una Ro ut baja lo cual lo convierte en un buen seguidor de tension ´ con una ganancia ligeramente menor a uno. Sin embargo su ancho de banda no es tan bueno ya que se encuentra en el orden de los KHz. El capacitor ubicado en el emisor de esta etapa debe ser cercano a los 100uF para que no se generen perdidas en la ganancia por variaciones en el la impedancia de salida, sin embargo esta capacitancia limitar a´ el ancho de banda. un suele ser utilizado El amplificador de Base Com´ como acople de impedancias debido a tres ventajas
Figure 18: Resultados Pr a´ cticos Emisor Com u´ n.