Práctica 9 BJT como amplificador en configuración de emisor común con resistencia de emisor Índice General 9.1. Objetivos................................ 73 9.2. Introducción teórica.......................... 74 9.3. Cálculo del punto de polarización.................. 74 9.4. Realización práctica.......................... 76 9.1. Objetivos En esta práctica el alumno volverá a utilizar el transistor bipolar (BJT) como amplificador en configuración de emisor común. La diferencia sobre la práctica anterior es que ahora el circuito presenta una resistencia en el emisor que modifica la polarización del circuito y también su ganancia. La principal ventaja que presenta el amplificador de emisor común con resistencia de emisor es que hace al circuito amplificador mucho más estable frente a la temperatura y también hace que la dependencia de la ganancia con la el parámetro β del transistor sea mucho menor. 73
74 PRÁCTICA 9. EMISOR COMÚN CON RESISTENCIA DE EMISOR 9.2. Introducción teórica Se va implementar el circuito que se muestra en la Figura 9.1. R 1 R c V cc =12v C 1 + Q 1 V CE V e R 2 V BE V s V bb R e - Figura 9.1: Circuito amplificador con transistor bipolar en configuración de emisor común con resistencia de emisor 9.3. Cálculo del punto de polarización Para conseguir implementar un amplificador con un transistor BJT se deberá polarizar el BJT para que este opere en su región activa de funcionamiento. El circuito de polarización es similar al estudiado en teoría, y las relaciones que modelan el punto de operación o punto de polarización del circuito serán: V B = V CC R 2 R 1 + R 2 (9.1) V B V BE + I C R C (9.2)
9.3. CÁLCULO DEL PUNTO DE POLARIZACIÓN 75 V CC = I C (R E + R C ) + V CE (9.3) donde I C y V CE representan la corriente de colector y tensión colector-emisor del transistor bipolar, respectivamente. En el circuito de la Figura 9.1, el condensador C 1 desacopla la componente de continua de la señal de entrada del circuito de polarización del transistor. 9.3.1. Cálculo de la ganancia en tensión del amplificador Para el cálculo de la ganancia en tensión del amplificador se habrá de analizar el circuito de pequeña señal del circuito utilizando para el transistor su circuito equivalente simplificado. El circuito de pequeña señal correspondiente al circuito amplificador en estudio se representa en la Figura 9.2. i b + + V e R 1 R 2 h ie i b h fe R c V s R e - - Figura 9.2: Circuito de pequeña señal del amplificador con BJT en configuración de emisor común con resistencia de emisor. En el análisis teórico del circuito de pequeña señal no se tendrá en cuenta la dependencia de la ganancia en tensión con la frecuencia, y por tanto, las relaciones que modelan el comportamiento del circuito serán: A v = V s V e (9.4)
76 PRÁCTICA 9. EMISOR COMÚN CON RESISTENCIA DE EMISOR V s = h fe i b R c (9.5) V e = i b [h ie + (h fe + 1)R E ] (9.6) h fe R C A v = (9.7) h ie + (h fe + 1)R E Siendo h ie y h fe los correspondientes parámetros h del transistor. El signo menos que aparece en la expresión de la ganancia refleja que la señal de salida está invertida con respecto a la señal de entrada. 9.4. Realización práctica 9.4.1. Análisis del circuito amplificador con BJT Empleando las expresiones dadas en la introducción teórica de la práctica calcule el punto de polarización del BJT (el BJT se encuentra en activa) y rellene la Tabla 9.2. Determine la tensión en todos los nodos del circuito así como las corrientes que circulan por las distintas ramas (corriente de colector, I C, corriente de base, I B, corrientes que atraviesan las resistencias R 1 y R 2, I 1 e I 2 respectivamente). Los valores de las resistencias y condensadores junto al modelo del transistor se encuentran en la Tabla 9.1. R 1 = 10kΩ Q 1 : 2N2222 R 2 = 1kΩ C 1 = 1µF R C = 1,8kΩ R E = 100Ω Tabla 9.1: Valores de los componentes del circuito V cc = 12V I b = I 1 = V ce I c = I 2 = V be I e = Tabla 9.2: Tensiones y corrientes del circuito
9.4. REALIZACIÓN PRÁCTICA 77 Una vez conocido el punto de polarización, calcule la ganancia en tensión del amplificador de pequeña señal empleando para ello las expresiones que se dan en la introducción teórica de la práctica, y considerando unos valores de h fe = β = 200 y hie = 1KΩ. Rellene por ello la Tabla 9.3. A v = [u.n.] A v = [db] Tabla 9.3: Ganancia del circuito Refleje en la memoria de la práctica los cálculos realizados y exprese la ganancia del amplificador tanto en unidades naturales como en unidades logarítmicas. 9.4.2. Caracterización experimental del circuito amplificador con BJT Polarización del circuito amplificador Utilizando la placa de circuito impreso que se ha proporcionado con el material de laboratorio alimente el circuito con una fuente de tensión fija independiente de V cc = 12V. Mida la tensión de emisor, colector y base utilizando el voltímetro digital. Refleje en la memoria de la práctica los valores de estas tensiones. V CE = V BE = Tabla 9.4: Valores de tensión medidos experimentales Ganancia en tensión de pequeña señal del circuito amplificador Una vez que se ha polarizado el circuito correctamente se pasa a calcular la ganancia en tensión de pequeña señal del circuito amplificador. Introduzca como señal de entrada V e (t), una señal senoidal proporcionada por el Generador de funciones, cuya frecuencia sea de 8KHz, y amplitud necesaria para obtener a la salida una señal, V s (t), con amplitud igual a 2.5V. Anote este valor de amplitud de entrada que permanecerá fija a lo largo de toda la práctica.
78 PRÁCTICA 9. EMISOR COMÚN CON RESISTENCIA DE EMISOR A e = Tabla 9.5: Amplitud de entrada Visualice en el canal I del osciloscopio la señal a la entrada del circuito y en el canal II la señal de salida. Podrá observarse como la señal de salida está invertida respecto de la señal de entrada como ya se predijo en el análisis teórico. En la memoria de la práctica deberá representarse la medida realizada con el osciloscopio, indicando la base de tiempos y el factor de deflexión utilizado para cada canal. Cambiando la frecuencia de señal de entrada que proporciona el generador de funciones obtenga los resultados necesarios para completar la Tabla 9.6. Entrada Salida Característica del amplificador f(hz) 50 A s A v = A s A e 100 170 220 350 600 900 1.2k 2.1k 3.2k 5.1k 8k 12k 20k 32k 50k 80k 100k 200k 500k 700k 1Meg A v = 20log A s A e Desfase : φ s φ e Tabla 9.6: Valores experimentales
9.4. REALIZACIÓN PRÁCTICA 79 A partir de los resultados de la Tabla 9.6, represente gráficamente en la memoria de la práctica las siguientes funciones: 1. Gráfica 1: Ganancia en tensión en unidades naturales en función de la frecuencia. 2. Gráfica 2: Ganancia en tensión en unidades logarítmicas en función de la frecuencia. 3. Gráfica 3: Desfase de la señal de salida respecto de la entrada en función de la frecuencia. Comparación de las ganancias del circuito amplificador en configuración de emisor común con y sin resistencia de emisor. Finalmente, compare los resultados de ganancia obtenida en esta práctica (amplificador con BJT en configuración de emisor común sin resistencia de emisor) con los resultados de ganancia de la práctica anterior (amplificador con BJT en configuración de emisor común con resistencia de emisor), y discuta los resultados.