PRÁCTICA 13. CIRCUITO AMPLIFICADOR MONOETAPA CON BJT 1. Objetivo Se pretende conocer el funcionamiento de un amplificador monoetapa basado en un transistor BJT Q2N2222. 2. Material necesario Se necesita el siguiente material: 1. Ordenador personal con software MicroCAP 9 2. Recordar cómo se contruye y simula un circuito en MicroCAP, así como la visualización de tensiones y/o corrientes del circuito simulado 3. Conocimientos del comportamiento de los transistores BJT 3. Conocimientos previos Se va a simular el montaje de amplificador con BJT Q2N2222 en emisor común de la Figura 1 donde el nodo de salida del circuito es el colector del transistor. En el circuito de la Figura 1, el condensador Ci desacopla la componente de continua de la señal de entrada del circuito de polarización del transistor. Los condensadores, en régimen de gran señal equivalen a circuitos abiertos. De este modo, Ci y Co desacoplan el amplificador de la entrada y la salida en continua (desconectan el amplificador de Vi y lo aíslan de lo que esté conectado al nodo de salida). Por otro lado, en régimen de pequeña señal, los condensadores equivalen a cortocircuitos. El condensador de emisor Ce es útil en este régimen de operación ya que elimina la resistencia de emisor aumentando con ello la ganancia en tensión del amplificador. Sin embargo, la resistencia de emisor Re es necesaria en régimen de gran señal para estabilizar el punto de operación del circuito. Figura 1. Circuito amplificador en emisor común 1
Teniendo esto en cuenta, para el cálculo del punto de polarización el circuito de la Figura 1 puede ser simplificado y se representa en la Figura 2. Figura 2. Circuito de polarización del amplificador en emisor común Las relaciones que modelan el punto de operación o punto de polarización del circuito son: = = + = + + Para el cálculo de la ganancia en tensión del amplificador se habrá de analizar el circuito de pequeña señal utilizando para el transistor su circuito equivalente simplificado. El circuito de pequeña señal correspondiente al amplificador en estudio se muestra en la Figura 3. Figura 3. Modelo de pequeña señal del amplificador en emisor común 2
Para conocer la respuesta en frecuencia de un determinado circuito se suele acudir a dibujar el denominado diagrama de Bode. Es una herramienta muy utilizada en el análisis de circuitos en electrónica, siendo fundamental para el diseño y análisis de filtros y amplificadores. Recibe su nombre del científico que lo desarrolló, Hendrik Wade Bode. El diagrama de magnitud de Bode dibuja el módulo de la función de transferencia (ganancia) en decibelios en función de la frecuencia en escala logarítmica. La magnitud de una variable x expresada en decibelios no es más que calcular 20 log(x). Sobre el diagrama de Bode de magnitud se pueden definir las frecuencias superior e inferior de corte del sistema que son las frecuencias (inferior y superior) en las que la magnitud cae 3 decibelios con respecto a su valor máximo. El diagrama de fase de Bode representa la fase de la función de transferencia en función de la frecuencia en escala logarítmica. Se puede dar en grados o en radianes. Permite evaluar el desplazamiento en fase de una señal a la salida del sistema respecto a la entrada para una frecuencia determinada. Para representar el diagrama de Bode en MicroCAP 9, se debe realizar un análisis AC del circuito y representar la magnitud en decibelios y la fase del nodo de salida. Así, si por ejemplo el nodo de salida es el nodo 5, se representarán vdb(v(5)) y ph(v(5)). 4. Realización de la práctica La práctica se divide en dos partes bien diferenciadas. La primera de ellas estudia la polarización del transistor en emisor común con resistencia de emisor. En la segunda parte estudiaremos la amplificación conseguida con dicho circuito. 4.1 Polarización del circuito En este apartado se pretende situar el transistor en zona activa para que el circuito funcione como un amplificador. Tabla I. Variables del circuito amplificador en emisor común con resistencia de emisor Transistor npn R 1 R 2 R C R E R i R L 3 2n2222a 47 kω 10 kω 6.8 kω 2.2 kω 50 Ω 10 MΩ C i, C o 220 nf C E 10 µf V CC 10 V Simulando el circuito en MicroCAP con los valores de la Tabla I, encuentre el punto de polarización (I B,V BE ) del circuito. (0.5 puntos) Encontrar el valor de β que ha usado el simulador para hacer los cálculos. (0.5 puntos) Simulando el circuito en MicroCAP, modifique el valor de la resistencia R2 acorde con los valores indicados en la Tabla B de la hoja de resultados. Para cada valor obtenga sucesivamente los valores de las tensiones V BE y V CE, las corrientes I C e I B. Gracias a estos valores, se debe deducir el estado de funcionamiento del
transistor BJT. Para realizar estas simulaciones de forma rápida, se aconseja usar la función stepping del análisis transitorio y, tras realizar la simulación, pulsar F5 para obtener la información del resultado. Rellene la Tabla B. (1.5 puntos) 4.2 Amplificación en emisor común de una señal En el apartado anterior se han visto diferentes puntos de polarización del circuito. Ahora vamos a quedarnos en uno concreto y a amplificar una señal de entrada. La señal de entrada es de tipo sinusoidal de 20mV de amplitud y 10kHZ de frecuencia. El punto de polarización elegido es el que hace que la tensión V CE sea aproximadamente 6 voltios. Obtenga mediante simulaciones el valor de R 2 que cumple esta condición. Indique el valor en la hoja de resultados. (0.5 puntos) 4.2.1 Análisis AC del circuito Realizar un análisis AC haciendo un barrido de frecuencias entre 1Hz y 100MHz. Tomar como nodo de salida del circuito el colector del transistor. Dibujar en MicroCAP el diagrama Bode (respuesta en magnitud y fase del circuito). Mida la ganancia y el desfase del circuito a 10kHz y la frecuencia inferior y superior de corte. Indique los resultados en la hoja de resultados. (1.5 puntos) 4.2.2 Respuesta transitoria Realizar un análisis transitorio del circuito con los valores indicados en la Tabla I. Comprobar que la ganancia y el desfase obtenido a la salida con una señal de entrada de 10kHz coincide con los resultados correspondientes obtenidos mediante el análisis AC. Rellene la Tabla D de la hoja de resultados. (1 punto) Medir la respuesta del circuito para distintas frecuencias (50Hz, 500Hz, 10kHz, 100kHz, 500kHz, 1MHz, 5MHz y 10MHz). Rellene la tabla E de la hoja de resultados. (2.5 puntos) 4.3 Otros efectos Comprobar qué efecto tiene la variación del valor del condensador de emisor Ce. Para ello, primero realizar un análisis AC con Ce=10µF, luego realizar el mismo análisis con Ce=10pF y finalmente eliminar del circuito el condensador Ce. En cada caso, indicar la ganancia obtenida para 10kHz en la tabla E de la hoja de resultados. (0.5 puntos) Por qué los resultados obtenidos cambian? (0.5 puntos) Eliminando el condensador de emisor Ce del circuito, comprobar la influencia de la resistencia de carga RL. Para ello, realizar un análisis AC del circuito con los valores de RL indicados en la tabla F de la hoja de resultados. (0.5 puntos) Por qué los resultados obtenidos cambian? (0.5 puntos) 4
I. Polarización del circuito HOJA DE RESULTADOS Tabla A. Valores del punto de polarización a obtener (1 punto) Variables V CC V CE V BE I C I B β Valor de simulación 10 V Tabla B. Valores de tensiones y corrientes para diferentes valores de R 2 (1.5 puntos) II. Análisis AC R 2 (kω) V CE (V) V BE (mv) I C I B Estado del BJT 1 6 11 16 26 Valor de R 2 para que V CE sea 6 voltios. R 2 = (0.5 puntos) Dibujar la ganancia en db y desfase en grados del circuito. Indicar claramente la ganancia y el desfase a 10kHz. Medir la frecuencia inferior y superior de corte (1.5 puntos) Frecuencia inferior de corte: Frecuencia superior de corte: Ganancia(dB) a 10kHz: Desfase(º) a 10kHz 5
III. Respuesta transitoria Tabla C. Valores de ganancia y desfase obtenidos para 10kHZ de frecuencia de la señal de entrada (1 punto) Ganancia y desfase para 10kHZ de frecuencia de señal de entrada Ganancia (db) Desfase en grados Valores de simulación AC Valor de simulación transitoria Tabla D. Ganancia y desfase para varias frecuencias de la señal de entrada (2.5 puntos) Resultados del análisis AC Resultados del análisis transitorio Frecuencia Ganancia (db) Ganancia (db) 500Hz 5kHz 10kHz 100kHz 400kHz 1MHz IV. Otros efectos Tabla E. Influencia de C E en la ganancia del circuito (0.5 puntos) C e 10 µf 10 pf sin C e Ganancia (db) a 10kHz Explicar los resultados de la tabla E (0.5 puntos) Tabla F. Influencia de R L en la ganancia del circuito (0.5 puntos) R L 10 MΩ 10 kω 2 kω Ganancia (db) a 10kHz Explicar los resultados de la tabla F (0.5 puntos) 6
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