facultad de ciencias exactas fisicas y naturales
Universidad nacional de crdoba
INSTRUMENTAL Y MEDICIONES ELECTRNICAS
Trabajo Prctico N2:
Medicin en amplificadores
Instrumentos con escala en dB
GRUPO 6
MatriculaNombre y Apellido
32816270
34318087
32913165BOCCOLINI, Facundo
GARCA, Ernesto
SCHWARTEN, Amalia
Objetivos:
Determinar ciertas caractersticas de un amplificador (Impedancia
de entrada y salida; Ganancia de tensin y de potencia; Ancho de
banda). Emplear instrumentos con escalas en dB.Materiales e
instrumental necesarios: Amplificador transistorizado con fuente de
alimentacin. Generador de baja frecuencia con salida sinusoidal y
cuadrada. Juego de potencimetros ajustables.
Multmetro analgico con escala en dB.
Osciloscopio de usos generales.
Introduccin:
En este trabajo emplearemos instrumentos sencillos para la
determinacin de las principales caractersticas de un amplificador.
A pesar de esto, los mtodos aqu ensayados abarcan ideas generales
de gran utilidad en el amplio campo de las mediciones. Veremos, por
ejemplo, la utilidad de la escala en dB de los instrumentos y se
implementara un mtodo de substitucin para medir una magnitud en
forma indirectaProcedimiento:Armamos el amplificador cuyo circuito
se muestra a continuacin. Verificamos su funcionamiento midiendo la
tensin de polarizacin entere colector y masa, la cual era
aproximadamente 12,3V . El resistor variable (*) 5 k permite variar
ligeramente este valor.
Experimento 1: determinacin de la impedancia de salida del
amplificador.
Para efectuar las mediciones que se requieren en este
experimento hay que conectar los instrumentos en la forma que se
indica a continuacin.
Se tuvo en cuenta lo siguiente: El amplificador a ensayar se
considera como un cuadripolo, y desde el punto de vista de la
definicin de Impedancia de salida de un cuadripolo, ser necesario
cortocircuitar la entrada del mismo para su determinacin. En la
prctica, esta condicin se considera satisfactoriamente cumplida si
la impedancia de salida del generador usado para excitar al
amplificador es suficientemente baja respecto de la impedancia de
entrada del mismo. En nuestro caso utilizamos un generador con . La
seal de entrada que se usara para efectuar esta medicin ser en este
caso una senoidal de 1 KHz. Este es un valor de frecuencia que se
fija a priori en funcin de las caractersticas del amplificador que
se va a ensayar.A continuacin, con la resistencia variable de carga
(Rc1) desconectada (en decir en vacio), ajustamos los mandos de los
instrumentos para obtener un nivel de seal de salida tal que
posibilite su lectura cmoda con el voltmetro sin que se produzcan
distorsiones en la forma de onda observada con el osciloscopio.
Puede reducirse la distorsin y buscar mxima excursin simtrica,
retocando el resistor variable (*) 5 K.Seguidamente conectamos el
resistor de carga variable cuidando de comenzar con el valor mximo
del mismo para luego ajustarlo hasta que la lectura de la tensin de
salida efectuada con el voltmetro se reduzca a la mitad de la
obtenida en vacio al principio. En esta situacin el valor de
impedancia de salida del amplificador es numricamente igual a la
resistencia de carga (por el tipo de amplificador y la frecuencia
en que hacemos el ensayo, se puede considerar sin mucho margen de
error que la impedancia de salida no tiene parte reactiva
considerable), y su valor puede determinarse en forma indirecta
midiendo el valor de la resistencia (Rc1) con un
hmetro.f1frecuencia del generadorVsPara mxima excursin simtrica y
Rc1 desconectadaRc1=ZsalPara Vs=Vs/2
1 KHz4.1 V1,2 K
Experiencia 2: determinacin de la impedancia de entrada del
amplificador.
Para la medicin de la Impedancia de entrada, utilizamos el
montaje que se muestra a continuacin.
Inicialmente repetimos el primer paso de la experiencia anterior
y tomamos nota del valor de la tensin de salida. Luego conectamos
en serie entre el generador y la entrada del amplificador una
resistencia variable (Re1) cuidando de comenzar con su mnimo valor.
Ajustamos a continuacin el valor de la misma hasta que la lectura
de la tensin de salida cae a la mitad de la magnitud inicial. En
esta situacin el valor numrico de Re1 es igual a la impedancia de
entrada del amplificador. (Son validas las mismas consideraciones
que se efectuaron en el experimento anterior).f1frecuencia del
generadorVsPara mxima excursin simtrica y Re1
desconocidaRc1=ZentPara Vs=Vs/2
1 KHz2.05 V4.66 K
Experiencia 3: Medicin de la ganancia del amplificador.Antes de
proceder a medir la ganancia de un amplificador cualquiera, se debe
establecer primero cual es la funcin del amplificador, y cual la
naturaleza de la ganancia que se pretende medir. Si el dispositivo
se va a emplear como un amplificador de tensin normalmente se lo
hace trabajar con la salida en condiciones de carga prximas al
circuito abierto, entonces para determinar la ganancia de voltaje
del amplificador, bastar con medir la misma sin carga conectada a
la salida. En cambio si se pretende medir la ganancia como
amplificador de potencia, es necesario conectar una carga igual a
la que normalmente se va a emplear en condiciones normales de
funcionamiento, (que eventualmente puede ser igual a la resistencia
de salida cuando se busca la mxima transferencia de potencia). En
ambos casos se debe dar junto con la especificacin de ganancia el
valor de la impedancia de salida del dispositivo para que los datos
suministrados sean de utilidad) en esta parte del trabajo practico
se determinar la ganancia de potencia del amplificador.
Una de las formas ms comunes de expresar el valor de la ganancia
de un amplificador es en decibeles, y la forma ms fcil de
determinarla es mediante el empleo de instrumentos que posean
escalas calibradas en dB como puede ser un multmetro.
La escala para medir en dB del multmetro est trazada sobre uno
de los rangos de voltmetro de CA segn la siguiente expresin:
Que pueden ser convertidos en dBm si se conoce el valor de la
resistencia del circuito sobre el que se mide ( empleando la
siguiente ecuacin:
Ntese que al medir sobre circuitos cuya resistencia es 600, la
lectura en dBu es equivalente a dBm, de lo contrario se debe
efectuarse el clculo y la correccin correspondiente.
Esto es til y debe tenerse en cuenta para el caso de que se
pretenda hacer una medicin absoluta (un ejemplo se efectuara en la
siguiente experiencia del trabajo practico). En el problema que nos
ocupa, la ganancia de potencia en dB, ser la diferencia entre los
dBm de salida y los dBm de entrada (valores que se medirn en dBu y
luego convertir como se acaba de explicar).Disponer los
instrumentos como se muestra a continuacin y repetir el primer paso
de las experiencias anteriores, es decir ajustar la amplitud de
salida del generador para que la salida proporcione mxima excursin,
sin distorsin:
Los valores medidos fueron los siguientes: dBu(salida) = 1.47
dB
dBu(entrada) = 0.56 dB
Tomamos una Rx = 600 , por lo tanto dBu = dBmF1
frecuencia del generadordBm
(salida)dBm
(entrada)Ganancia de dB
dBm(sal)-dBm(ent)
1KHz1.47 dBm 0.56 dBm0.91 dB
Experiencia 4: Medicin de la potencia de salida del
amplificador.
La potencia de salida del amplificador se medir para la condicin
de resistencia de carga igual a la impedancia interna del mismo y
para mxima excursin simtrica de la tensin de salida, (es decir sin
recorte), para lo cual deber disponer los instrumentos de la misma
forma que en la experiencia 1.Si usted lo desea puede obtener la
potencia de salida por clculo de datos recogidos en aquella
experiencia; tambin puede medirse directamente en la escala en dB
del multmetro aplicando la correccin correspondiente a la lectura
del mismo. Recuerde que dicha correccin consiste en sumar al valor
ledo lo obtenido de la siguiente expresin:
Donde es el valor de la resistencia de carga sobre el cual se
efecta la medicin, en este caso 1.2 k . Tenga en cuenta tambin
que:
Reemplazando los valores en las formulas
= 0.58 mW
Medimos el valor de la potencia de salida y expresamos el
resultado en dBm y en W:
Psal (dBm) = -2.36Psal (W) = 0.58 x
Experiencia 5: Determinacin de la Resistencia de salida a lazo
abierto y lazo cerrado.
1) Primero se efectuaron las mediciones con el amplificador
trabajando a lazo abierto y sin carga conectada:Vi (Vpap)Vo (Vpap)A
= Vo/Vi
22 mV5 V227
2) Ahora sin tocar el generador se coloc el jumper Js sobre la
carga R1 = 1kohm y se midi la tensin de salida Vs y se obtuvo por
calculo la resistencia Ro dek amplificador:
Vo (Vpap)Vs (Vpap)Ro = R1*[(Vo/Vs)-1]
5 V3.2 V562.5
3) Se desconect la carga R1 (se retir el jumper Js), se conect
el jumper J entre 1 y 2, y se repitieron las mediciones para
determinar la ganancia del amplificador pero en condicin de
retroalimentacin negativa. Luego se calcul el valor de la
resistencia de salida a lazo cerrado Ro.
Vi (Vpap)Vo (Vpap)G = Vo/Vi
22.5 mV320 V14.22
Ro = (Ro*G)/A = (562.5*14.22) / 222 = 36 .
4) Luego intentamos comprobar que la Ro calculada concuerda con
la que se obtiene experimentalmente, usando el procedimiento
utilizado en el experimento 2. Como la resistencia de salida Ro es
menor que Ro, se debe usar un R1 menor: de 33 .
Vo (Vpap)Vs (Vpap)Ro = R1*[(Vo/Vs)-1]
320 mV155 mV35
Experiencia 6: Medicion de la potencia eficaz mxima de
salida.Primero se medira la mxima potencia a lazo abierto. Luego se
ajusta al minimo la salida del generador y se conecto ah mismo la
carga Rc1 con un valor igual al de Ro en el paso 2 de la
experiencia anterior. Se regul una onda senoidal a 1kHz de
frecuencia y con una potencia tal que en la seal sobre la carga no
se observen recortes en la onda. Luego repetimos lo mismo, pero a
lazo cerrado; en este caso tomamos Rc1 con un valor igual a Ro.
(del paso 3)
A lazo abierto
(Rc1 = Ro)A lazo cerrado
(Rc1 = Ro)
Pmax = Vpap2/8R2.35 mW0.388 mW
Experiencia 7: Ensayo de la respuesta en frecuencia (ancho de
banda) del amplificador.
En su forma ms elemental y simple, la respuesta en frecuencia de
un amplificador cualquiera se determina efectuando un barrido de
frecuencia, manteniendo constante el nivel de la seal aplicada a la
entrada, que debe tener un valor suficiente para obtener la mxima
tensin de salida sin distorsin. El ancho de banda viene dado por
los lmites de frecuencia entre los cuales el nivel de salida no cae
ms de 3dB respecto del valor para una frecuencia media.De acuerdo
con la definicin anterior el procedimiento seguido es el
siguiente.
Se ajust el nivel y la frecuencia del generador para obtener un
valor de referencia (en nuestro caso se realiz la medicin a
1KHz)
Se disminuy el valor de la frecuencia hasta obtener el valor de
corte inferior
Se aument al valor de la frecuencia hasta obtener el valor de
corte superior. Se tomaron algunas lecturas intermedias entre los
dos valores obtenidos
Amplificador a lazo abiertoFrecuencia del generadorf1 =
12 Hz1000 Hzf2 =
2.8 MHz
Salida en dB-3 dB0 dB-3 dB
Amplificador a lazo cerrado
Frecuencia del generadorf1 =
40 Hz1000 Hzf2 =
175 KHz
Salida en dB-3 dB0 dB-3 dB
Llevando los datos obtenidos a un grfico de amplitud Vs
frecuencia, se puede observar fcilmente el ancho de banda del
amplificador:
Experiencia 8: Determinacin de la respuesta en frecuencia del
amplificador mediante el empleo de una onda cuadrada.
El anlisis del comportamiento de un amplificador cuando se le
aplica una seal de entrada cuadrada permite determinar en forma
rpida y simple las caractersticas de respuesta en frecuencia del
mismo. La principal desventaja es que los resultados que pueden
obtenerse no son demasiado exactos dado que el mtodo se funda en un
modelo ideal que en la mayora de los casos slo es una aproximacin
al circuito real.Si la entrada de un amplificador se excita con una
onda cuadrada cuya frecuencia este comprendida dentro de la banda
pasante del mismo, puede establecerse el ancho de banda del mismo
mediante la determinacin del tiempo de crecimiento de la onda que
se obtiene a la salida. Dicho tiempo de crecimiento puede medirse
mediante un osciloscopio entre el 10% y el 90% de la pendiente
observada. El ancho de banda se calcula a partid de las siguientes
relaciones sencillas:
En estas ecuaciones, que son validas para amplificadores cuya
frecuencia de corte inferior es cero o est muy cerca de cero, el
valor de la constante k depende de la forma de la cada de la curva
de respuesta en frecuencia (RollOf) en la zona de altas
frecuencias.
Es posible reconocer fcilmente la forma de la respuesta en
frecuencia realizando un barrido de frecuencias rpido con el dial
del generador sin necesidad de obtener la curva de respuesta en
frecuencias punto por punto.
Tambin es posible estimar el tipo de respuesta del amplificador
aplicando una onda cuadrara cuya frecuencia est prxima a la de
corte superior del mismo. Si el borde de subida de la forma de onda
obtenida es redondeado, la cada de respuesta es exponencial; en
cambio, si el borde presenta picos u oscilaciones es porque la cada
de respuesta en con sobre impulso.
El procedimiento a seguir es el siguiente:
Se emple la misma disposicin de instrumentos usada en la
experiencia anterior y se ajust la frecuencia del generador a 1Khz
con seal senoidal, y un nivel de salida tal que no se produzca
distorsin en la forma de onda observada con el osciloscopio. Sin
tocar los dems controles, se cambi la forma de onda de senoidal a
cuadrada. Se ajust la base de tempos y la pendiente de disparo de
manera de obtener la visualizacin de un nico flanco de subida en la
pantalla del osciloscopio.
Para lograr una mejor visualizacin del flanco de subida, se
utiliz el magnificador del eje horizontal (X5), asegurando que el
control correspondiente est en la posicin calibrado, y teniendo en
cuenta que ahora se deber dividir por 5 lo indicado en
Tiempo/Divisin de la base de tiempos.
Se hizo coincidir el mximo y el mnimo de la seal observada con
los rtulos de la pantalla y se midi el tiempo que hay entre el 10%
y el 90% de la pendiente.
Para determinar el valor de tiempo de crecimiento:
Se debe tener en cuenta que si el tiempo de crecimiento del
osciloscopio es comparable con el valor obtenido, ste se debe
corregir. El tiempo de crecimiento del osciloscopio depende del
ancho de banda del mismo segn una relacin similar a la presentada
previamente:
Se calcul el valor del ancho de banda del amplificador:
= 40S
