Tecnología Electrónica

Transcripción

1 Universidad de Alcalá Departamento de Electrónica Tecnología Electrónica Ejercicios Versión: Capítulo 5: Amplificadores multietapa y diferenciales Referencias: Texto base: Circuitos Electrónicos. Análisis simulación y diseño, de Norbert R. Malik. Capítulo 6, secciones 6.7.2, 6.7.3, y Capítulo 7, secciones 7.3.1, 7.8 y 7.9. Versión: 2017/03/01

2 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-2 Control de versiones : versión inicial.

3 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-3 Enunciados. Nota: La mayor parte de los problemas están extraídos del texto base (Malik). En estos casos, al lado del número de problema se indica el nombre del texto y el número de problema en dicho texto (Ejemplo: P2 (Malik P6.60)). Lo mismo sucede con algunos nombres de las figuras. Algunos de dichos enunciados han sido cambiados ligeramente. 1.-Amplificadores multietapa, en frecuencias medias AM.1.- A partir del análisis del circuito de la figura siguiente, y suponiendo que Q 1 está en zona activa y Q 2 en saturación, respóndase a las siguientes preguntas: a) Punto de polarización de los transistores. b) Parámetros del modelo en pequeña señal. c) Circuito equivalente en pequeña señal. d) Expresión literal y valor de la ganancia de tensión (v o/v i). e) Expresión literal y valor de la impedancia de entrada, Z i. f) Expresión literal y valor de la impedancia de salida del circuito, Z o. Datos: Q 1: V BE = 0.5V, F = 160, V CEsat = 0.2V, V AF =100V v i = A sen (t) Q 2 : Vt =2V, k1 =1 ma/v 2, VA = 100V C AM.2.-(Malik P7.5).- a) Dibuje el equivalente en pequeña señal del circuito de la figura adjunta (P7.5) incluyendo los valores de todos los componentes del diagrama, suponiendo β = 99. Nota: desprecie la corriente de base de Q2. b) Las tensiones Early son 110 V. Añada r o al diagrama. c) Determine el modelo del circuito como amplificador de tensión (impedancias terminales y transmitancia).

4 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-4 AM.3.-(Malik P7.52).- Los transistores de la figura adjunta (a la izquierda, figura P7.52) tienen β = 99. a) Dibuje el equivalente en pequeña señal mostrando el valor de todos los componentes. b) Halle la ganancia vx/vi. Sugerencia: utilice el modelo βib para Q 2. c) Halle la ganancia vo/vi. AM.4.-(Malik P7.56).-Los transistores de la figura adjunta (figura P7.56) tienen una k =10-4 A/V 2 y están polarizados en 1.5 ma. Halle la ganancia de tensión respecto del generador, esto es: v o/v i. AM.5.- A partir del análisis del circuito de la figura siguiente, respóndase a las siguientes preguntas: a) Punto de polarización de los transistores. b) Valor de los parámetros del modelo en pequeña señal. c) Circuito equivalente en pequeña señal. d) Expresión literal y valor de la ganancia de tensión (v o/v i). e) Expresión literal y valor de la impedancia de entrada, Z i. f) Expresión literal y valor de la impedancia de salida del circuito, Z o Datos: Q 1: V t1 = 2V k 1 = 10 ma/v 2 Q 2: V t2 = 2V k 2 = 0.1 ma/v 2 R 1 = R 2 = 2M R 3 = 25k C V DD = 10 V

5 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág Fuentes de corriente AF.1.- Dibújese el circuito de un espejo de corriente y calcúlese el valor de la resistencia de referencia para obtener una corriente de 2mA. Considérese V CC = 5V, V BE = 0.6V y β >>1. AF.2.- (Malik P6.53).- a) Diseñe un espejo básico de corriente que proporcione 2.1mA y trabaje con una alimentación de 9 V. b) Cuál es la mínima tensión de salida de la fuente? c) Si la tensión Early del transistor de salida es de 115 V, cuál es la resistencia de salida de la fuente? d) Dibuje un circuito para el mismo espejo de corriente del apartado a) pero con alimentación negativa de - 9 V y masa. AF.3.- (Malik P6.60).- Para el espejo de la figura adjunta (figura P6.60): a) Halle R si la corriente de referencia es 2 ma. b) Halle la máxima tensión Vo consistente con el funcionamiento como fuente de corriente. c) Cómo mejora el comportamiento de esta fuente con las resistencias de emisor? d) Halle la resistencia de salida si la tensión Early es 110 V. Sugerencia: puede utilizar la expresión de la resistencia de salida obtenida en el problema AF.5.-. R I R O M o 1 ro VT Figura P6.60 AF.4.- (Malik P6.62).- a) Diseñe una fuente de corriente Wilson que funcione con 10 V de alimentación. Todos los transistores son idénticos con k = 2 ma/v 2 y Vt = 1.1 V. La corriente de salida ha de ser de 1 ma. b) Resuelva el diseño de una fuente de corriente Wilson con bipolares con las especificaciones de a) usando transistores de silicio de alta beta e ignorando la ganancia de corriente.

6 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-6 AF.5.- (Malik P6.64).- a) Diseñe una fuente Widlar como la de la figura adjunta (figura P6.64) para una corriente de salida de 0.12mA usando resistencias de 10kΩ o menos. b) Siendo», demuestre que la expresión de la resistencia de salida de la fuente, R o, puede aproximarse a la expresión: IO R M Ro 1 gmrm ro 1 ro VT c) Usando la expresión del apartado anterior, calcule el valor de la resistencia de salida de la fuente (R o) si el transistor bipolar usado tiene una tensión Early de 100 V. Figura P6.64 Figura 6.28 AF.6.- (Malik P6.71).-Diseñe un espejo de corriente basado en el circuito de la figura 6.28 pero usando transistores PNP de 50 V de tensión Early. La corriente de salida ha de ser de 0.2 ma y la resistencia de salida de la fuente debe ser, al menos, 25 MΩ con una alimentación de 15 V. Sugerencia: puede utilizar la expresión de la resistencia de salida obtenida en el problema AF.5.-. R I R O M o 1 ro VT AF.7.- (Malik P7.16).-La figura siguiente (figura P7.16) muestra cómo se modela una señal o ruido v s(t) presente en la alimentación, V DD, de una fuente de corriente en espejo. Queremos valorar cuánto de esa señal o ruido aparece superpuesta a la salida de la fuente de corriente, i O. v s (t) i O =I ref +i s (t) Figura P7.16 a) Dibuje el equivalente en pequeña señal de todo el circuito, sin usar la r o. b) Relacione i s(t) con v s(t) usando el circuito del apartado a).

7 3.-Amplificadores diferenciales Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-7 AD.1.- (Malik P7.85).- En el circuito de la figura (a la derecha, figura P7.85) los parámetros de los transistores son β = 180, V CEsat = 0.3V, V BE = 0.6V. a) Halle el punto Q de los transistores y la tensión en la fuente de corriente con ambas bases polarizadas a +1V. b) Halle los límites del modo común si la fuente de corriente necesita, al menos, 1.2V para su correcto funcionamiento. c) Diseñe una fuente de corriente básica bipolar para este circuito utilizando transistores que sean iguales a los dados. Dibuje el esquema equivalente completo incluyendo la fuente de corriente. d) Cambian los límites del modo común cuando la fuente reemplaza a la descrita en el apartado (b)? Justifíquelo. e) Repita el apartado (a) cambiando V CC a +6V y V EE a -4V. AD.2.- (Malik P7.86).- En el amplificador del problema anterior (figura P7.85) los colectores se polarizan a 6 V. Si el amplificador y la fuente de corriente necesitan más de 0.2 V para no saturarse, los emisores deben situarse entre 5.8 y -9.8 V. Estas condiciones suponen que el conjunto de los transistores y la fuente de corriente deben trabajar con una tensión total de 5.8-(-9.8) = 15.6 V. Halle la tensión de polarización en modo común V BB que divida la tensión de trabajo a partes iguales, es decir, hace que V CE = V CS donde V CS es la tensión de polarización en la fuente de corriente. AD.3.- (Malik P7.90).- En el amplificador del problema P7.85 (figura P7.85), β = 180. a) Halle el CMRR en db si se toma la salida en el nodo (y), y la fuente de corriente tiene R o = 80kΩ. b) Obtenga el modelo del amplificador en modo diferencial, especificando todos sus valores: R d, A d, R o. c) Se conecta una resistencia de 7k entre los nodos (x) e (y). Halle la tensión de la señal en esta resistencia si la entrada se colocan los generadores de la figura adjunta: d) Elimine el resistor de carga del apartado (c). Se conecta ahora un resistor de carga de 3kΩ, a masa, acoplado capacitivamente al nodo (x), siendo los generadores de entrada los mismos que los del apartado (c). Halle la tensión en dicho resistor sin(20 t ) 10 3 sin(20 t ) +

8 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-8 AD.4.- En el amplificador diferencial de la figura adjunta (izquierda) los transistores tienen I S=10-13 A y β=200. Otros datos son: I EE=10 ma, V CC=15 V, V EE=15 V y R C=1 kω. v A v O2 v B a) Calcule la ganancia de tensión A d2 = (v o2/v id), en donde v id =v i1 v i2. No olvide especificar el signo de la ganancia. v i1 v i2 b) Dibuje, de forma aproximada, las funciones de transferencia v O1=f(v D) y v O2=f(v D), siendo v D=(v A v B). Anote sobre ellas los valores más representativos. c) Suponga que v A=10-2 sen(2000πt) voltios y v B=0. Trabajará el amplificador dentro de su zona lineal? Razone su respuesta. AD.5.- (Malik P7.84).- En el circuito de la figura adjunta (derecha) suponer que V CC = 5V, -V EE = -5V, I O = 1mA, R C = 7kΩ, V BE = 0.7V, a) Halle los puntos Q de los transistores y las tensiones en las fuentes de corriente cuando las bases están a masa. Nota: desprecie la caída de tensión en las R E. b) Halle los límites del modo común suponiendo que la fuente de corriente es un circuito espejo bipolar. AD.6.- Sobre el amplificador de la figura adjunta (debajo), responda a las cuestiones siguientes: a) Usando una configuración en espejo, diseñe la fuente de corriente para que proporcione una I 0=1mA. No puede usar más fuentes de alimentación que las mostradas. b) Obtenga los márgenes en modo común en la entrada del amplificador. Suponga una tensión mínima de funcionamiento de la fuente de V IOmin = V CEsat = 0,2V. c) Suponga que el generador de la entrada A es de valor: v A(t)=V CC/2 + v d(t)/2, justifique qué expresión debiera tener el generador v B(t) para que el circuito funcione adecuadamente como un amplificador diferencial. d) Sólo en el supuesto de modo diferencial en pequeña señal, obtenga la expresión de v o=f(v d)

9 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-9 AD.7.- (Malik P7.78).- En el circuito de la figura adjunta (P7.78) se tiene V DD = 12V, R D = 120kΩ, k =1.8 ma/v 2, V t = 0.9V en todos los transistores y R es tal que I D3 = 0.1 ma. Con las entradas a y b a masa: a) Halle el punto Q de los transistores. b) Halle la tensión en la fuente de corriente. c) Halle los límites del modo común Figura P7.78 AD.8.- (Malik P7.80).- Dado el circuito del problema anterior: a) Dibuje su circuito equivalente. La tensión Early de M 3 es 50V. b) Halle el CMRR en db con salida asimétrica. AD.9.- (Malik P7.81).- Suponga que en el circuito del problema AD.7.- (figura P7.78) la alimentación tomase el valor V DD = 15V y todos los transistores tuvieran k = 1.8 ma/v 2, V t = 0.9V y V A = 50V para M 3. a) Halle I D3 para que el CMRR con salida asimétrica sea de 40 db. b) Qué valor se necesita para R? c) Elija R D de tal forma que su caída de tensión sea de V DS con las dos puertas a masa. d) Halle la ganancia en modo diferencial del amplificador, para una salida diferencial. AD.10.- La figura adjunta corresponde a un diferencial construido con transistores PNP, de F =150. Aparte de los valores indicados en la propia figura, otros datos son I O = 2mA y V CC = 10V. Q1 I 0 V CC Q2 a) Obtenga los valores del modelo del amplificador en modo diferencial: R d R s y A d. A ( v v ) 50, determine el b) Si se desease una ganancia diferencial d o1 d valor necesario en este caso para la I O del generador de corriente. v a R C 4kΩ R C 4kΩ v b v o1 Figura P7.92 AD.11.- (Malik P7.92).- El amplificador de la figura adjunta (figura P7.92) se ha construido siguiendo una estructura de polarización como la del diferencial: dos transistores acoplados por emisor y fuente de corriente constante. Sin embargo, se está utilizando con una única entrada de señal. a) Identifique la configuración real del amplificador (Nota: razone sobre el cto. de señal, como si fuese un multietapa) b) Suponiendo que =500, dibuje el modelo en señal y obtenga la ganancia de tensión respecto del generador de entrada.

10 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-10 Figura P7.100 v a v b AD.12.- (Malik P7.100).- En el circuito de la figura P7.100, se tienen los valores siguientes: V CC = 10V, R C = 8kΩ, β = 100 e I O = 8µA. a) Halle el punto de trabajo de los BJT (V CE e I C) en el caso de tener las entradas a masa. b) Halle el límite superior del modo común si la tensión de salida de la fuente de corriente debe ser mayor de 3.3V. Para ello, compruebe las condiciones de saturación de los transistores y las de funcionamiento de la fuente de corriente. AD.13.- Sobre el amplificador diferencial en base común de la figura del problema AD.12.- (figura P7.100), y utilizando el análisis del medio amplificador (o semi-circuito): a) Dibuje el modelo completo para señal variable de un amplificador diferencial con dos salidas (como el de la figura). b) Halle las expresiones algebraicas de R d y A d en modo diferencial. c) Halle R cm y A c para el modo común siendo R o la resistencia interna de la fuente de corriente. Cuánto vale el CMRR?

11 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-11 Capítulo 5: Amplificadores multietapa y diferenciales Soluciones a los ejercicios propuestos

12 Soluciones 1.-Amplificadores multietapa AM.1: Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-12

13 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-13

14 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-14 AM.2: AM.3: AM.4:

15 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-15 AM.5: a) Punto de polarización de los transistores El Q 1 estará en saturación (activa), pues al conectarse D con S se tiene que: Suponemos Q V V siempre se cumple que V ( V V ) DS1 GS1 DS GS t 2 en saturación, entonces: K2 2 I D2 I D ( VGS 2 VT 2) 2 VCC VG 2 R2 R1 R2 VGS 2 VG 2 I D2R3 VG 2 VGS 2 K ( V GS 2 V T 2) V GS 2 V I D2 ( 2) ma R K1 2 I D1 I D ( VGS 1 VT 1) VGS V; VDS1 VGS V 2 V V I R V 6.08 V V V V Q Saturación DS 2 CC D 3 DS1 DS 2 GS 2 T 2 2 b) Valores de los parámetros en p.s. de los TRTs 16 gm 1 k1( VGS 1 Vt1) 10(2,12 2) 1, 2 ma / V ; gm2 k2( VGS 2 Vt 2) 0,1 2 0,12 ma / V 5

16 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág Fuentes de corriente AF.1.- AF.2.- AF.3.- AF.4.-

17 AF.5.- Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-17

18 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-18

19 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-19 AF.6.- AF Amplificadores diferenciales AD.1.-

20 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-20 AD.2.- AD.3.-

21 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-21 AD.4.- AD.5.-

22 AD.6.- Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-22

23 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-23 AD.7.- AD.8.- AD.9.-

24 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-24 AD.10.- Apartado a) Apartado b) V CC I 0 Q1 Q2 v a v b R C 4kΩ R C 4kΩ v o1

25 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-25 AD.11.- AD.12.- AD.13.- Para analizar el amplificador diferencial utilizando el análisis de semicircuito, es necesario darse cuenta de que el nodo correspondiente a las bases (marcado como M en la figura adjunta) debe tener cero voltios en señal variable. Esto es así por razón de la simetría de la estructura del diferencial, en modo diferencial (como ya hemos justificado en otros ejemplos y estudios anteriores. v a v b

26 Tecnología Electrónica, C5. Amplificadores multietapa y diferenciales, pág.-26