CAPÍTULO 7. Etapas en cascada

Transcripción

1 CAPÍTULO 7 Etapas en cascada Resumen El tema de este capítulo son las etapas en cascada, abarcando su análisis y diseño de etapas en cascada. Incluye un método alternativo, en el que se tienen en cuenta los parámetros híbridos y r e. Se desarrollan ejercicios que contienen dos transistores, en los cuales se encuentra y se calcula el valor de todos sus componentes. Palabras clave: acople, desacople, ganancia total, ganancia individual. Cómo citar este capítulo? / How to cite this chapter? W. Celis, Etapas en cascada, en Electrónica sin barreras, Bogotá, Colombia: Ediciones Universidad Cooperativa de Colombia, 2018, pp DOI:

2 Chapter 7 Stages in Cascade Resumen The subject of this chapter is stages in cascade, covering their analysis and design. It includes an alternative method that considers hybrid and r e parameters. Exercises containing two transistors and in which the value of all their components is found and calculated are done. Keywords: coupling, decoupling, total gain, individual gain.

3 Etapas en cascada / Introducción Entre las ramas importantes de la electrónica están las comunicaciones, y es allí donde es necesario acoplar varias etapas en cascada para amplificar la señal de entrada. Objetivo Conocer y desarrollar la teoría y la técnica que permiten acoplar etapas en cascada. 7.2 Análisis de etapas en cascada Supongamos que se tienen conectadas varias etapas amplificadoras con transistores, como se muestra en la figura 7.1: Figura 7.1 Etapas en cascada. Fuente: [2] Cada etapa tiene su respectiva ganancia: Si el voltaje de entrada es: V i = 10μV Entonces, se pueden calcular los siguientes voltajes:

4 244 \ ELECTRÓNICA SIN BARRERAS Como estamos interesados en hallar la ganancia total de voltaje del sistema, se aplica la fórmula de ganancia total así: Se observa que: De este resultado se concluye que cuando hay varias etapas amplificadoras en cascada, la ganancia total es igual a la multiplicación de todas las ganancias individuales. De igual manera: El signo negativo hace referencia a que alguna etapa puede ser inversora o no inversora. Ahora tomemos dos transistores en cascada, como se muestra en la figura 7.2, cuya entrada es una señal alterna. En ese circuito, se van a hallar los siguientes parámetros: Z i, Z o, A Vt. A partir del circuito de la figura 7.2, se muestra la manera técnica de cómo se calculan estos parámetros por medio del análisis. Figura 7.2 Dos etapas en cascada. Fuente: Elaboración propia

5 Etapas en cascada / 245 Primer paso: Llevar las fuentes de dc a tierra, como se muestra en la figura 7.3: Figura 7.3 Circuito con fuentes dc a tierra. Fuente: Elaboración propia Segundo paso: Reemplazar los transistores por su circuito h o r e equivalente, como se muestra en la figura 7.4: Figura 7.4 Circuito con parámetros híbridos. Fuente: Elaboración propia Del análisis correspondiente al circuito híbrido equivalente se obtienen los siguientes cálculos: Impedancia de entrada Z i : (7.1) Impedancia de salida Z 0 : (7.2) Ganancia de voltaje del transistor 1: (7.3)

6 246 \ ELECTRÓNICA SIN BARRERAS Ganancia de voltaje del transistor de salida 2: (7.4) Ejemplo: Para el circuito de la figura 7.5, se pide hallar: A VT, Z i, Z 0, V 0, si V i = 25μV. Figura 7.5 Ejercicio de aplicación. Fuente: Elaboración propia

7 Etapas en cascada / 247 Ahora se toman dos transistores en cascada con resistencia de emisor sin condensador de desacople en emisor, cuya entrada es una señal alterna, y en ese circuito se hallan los siguientes parámetros: Z i, Z 0, A VT (figura 7.6). Figura 7.6 Transistores en cascada sin condensador de desacople. Fuente: Elaboración propia

8 248 \ ELECTRÓNICA SIN BARRERAS Primer paso: Llevar las fuentes de dc a tierra, como se muestra en la figura 7.7: Figura 7.7 Circuito con fuentes dc a tierra. Fuente: Elaboración propia Segundo paso: Reemplazar los transistores por su circuito h o r e equivalente, como se observa en la figura 7.8: Figura 7.8 Circuito con parámetros híbridos. Fuente: Elaboración propia Del análisis correspondiente al circuito híbrido equivalente se obtienen los siguientes cálculos: (7.5) (7.6) (7.7) (7.8)

9 Etapas en cascada / 249 (7.9) (7.10) (7.11) (7.12) 7.3 Diseño de etapas en cascada Se desea acoplar dos etapas con los siguientes requerimientos: A V1 = - 10, A V2 = - 10, como se muestra en la figura 7.9: Figura 7.9 Circuito con dos etapas en cascada diseño. Fuente: Elaboración propia Se comienzan los cálculos del circuito a partir de la segunda etapa (también se puede a partir de la primera). Se escoge V CC = 20V, se asume el valor de I C2 = 2mA. Se toma V C2 = V CC 2 para que no haya recorte de señal.

10 250 \ ELECTRÓNICA SIN BARRERAS Para la segunda etapa se tiene: Para la primera etapa se tiene: Se asume V C1 = 10V, I C1 = 2mA

11 Etapas en cascada / 251 El circuito queda configurado como se ve en la figura 7.10: Figura 7.10 Circuito con valores hallados. Fuente: Elaboración propia Prueba: Para la segunda etapa se tiene: Para la primera etapa se tiene: Conclusión: El circuito cumple con los requerimientos exigidos tanto desde el punto de vista de dc, como de ac. A continuación, se presenta un análisis muy similar para etapas en cascada. 7.4 Diseño de etapas en cascada método alternativo Presentamos una forma sencilla y original de efectuar el cálculo de todos los componentes para acoplar dos etapas en cascada y con ello amplificar la señal de entrada. Esto es necesario en la mayoría de las aplicaciones de electrónica y para circuitos de comunicaciones es fundamental el conocimiento de esta técnica.

12 252 \ ELECTRÓNICA SIN BARRERAS Como ejercicio se propone diseñar dos etapas en cascada (ver figura 7.11). La primera que tenga una ganancia de cuatro veces y la segunda una ganancia de cinco veces para una ganancia total de A V = 20. Figura 7.11 Circuito con dos etapas en cascada para diseño. Fuente: Elaboración propia Comenzamos el diseño a partir de la segunda etapa. Se asume: Del circuito se tiene que: Si se utiliza la fórmula de ganancia para el segundo transistor, se obtiene: Luego se halla:

13 Etapas en cascada / 253 Como: El circuito híbrido del segundo transistor es como se muestra en la figura 7.12: Figura 7.12 Circuito híbrido del segundo transistor. Fuente: Elaboración propia Ahora procedemos a desarrollar la primera etapa: Se asume el valor de:

14 254 \ ELECTRÓNICA SIN BARRERAS De donde: R L = Impedancia de acople. Ahora: Se hallan las resistencias del puente de base: Para hallar el valor del condensador de acople:

15 Etapas en cascada / 255 Nota: Z C2 es la impedancia vista por el condensador de acople. Según el criterio para hallar la capacitancia del condensador, se aplica: Al despejar C, se tiene que: Finalmente, el circuito queda con los siguientes valores (figura 7.13): Figura 7.13 Circuito con los valores del diseño. Fuente: Elaboración propia Prueba:

16 256 \ ELECTRÓNICA SIN BARRERAS Se observa que el circuito cumple con los requerimientos exigidos tanto desde el punto de vista de dc como de ac; además, se muestra con este diseño que los criterios para diseñar son muchos y dependen del correcto juicio del diseñador. 7.5 Taller propuesto capítulo 7 Diseñar la siguiente red de modo que: Figura 7.14 Ejercicio taller