Desafío III 1

Resumen: El diseño de un amplificador de tensión es una

tarea que involucra el cálculo de diversos parámetros de

operación tanto AC como DC. El circuito de polarización es

de vital importancia para mantener al transistor en la región

activa. Además es la base para el cálculo de los parámetros

que nos permitirán obtener un sistema con las características

del problema dado. En el presente se resumen los pasos para

el diseño de un amplificador con determinados

requerimientos tanto de resistencias de entrada como de

salida. Y que además debe responder a una ganancia de

tensión. Se propone un circuito de tres etapas con

transistores BJT y se anexan los datos obtenidos tanto de la

simulación como del prototipo real.

Palabras claves: Punto Q, Ganancia de un transistor,

Amplificador de Tensión, Impedancia de entrada,

Impedancia de salida.

I. INTRODUCCIÓN

Una de las principales tareas del ingeniero

electrónico es adaptar señales de pequeña

amplitud a rangos en los cuales sea posible

realizar determinado tratamiento de dicha señal,

los amplificadores son los circuitos encargados de

realizar dicha tarea y de un buen diseño de este

depende el éxito en la aplicación. Como proceso

debe responder a ciertas exigencias dadas como la

ganancia a obtener, y las impedancias de entrada y

de salida. Existen múltiples parámetros a

determinar para un amplificador de tensión, la

mayoría de los cálculos son tendientes a

determinar las resistencias necesarias para un

transistor seleccionado. Estos parámetros se

determinaran tanto en DC como en AC, para lo

cual primero estimaremos el punto Q de cada

transistor, luego, estableceremos un modelo AC

adecuado y por último calcularemos los

parámetros exigidos.

Luego se presenta la simulación y el análisis de

los resultados contrastado con el prototipo real.

II. MARCO TEORICO

La principal consideración teórica a tener en

cuenta en la elaboración del amplificador

solicitado es qué tipo de configuración básica

se debe usar en cada etapa con el fin de obtener

el valor de ganancia total Gv exigido. Tres son

las configuraciones básicas de los

amplificadores a base de transistores bipolares

(BJT): emisor común, emisor común con

resistencia, base común y colector común. En

la elaboración del amplificador aquí analizado

se hizo uso de tres (3) transistores conectados

en cascada y operando en las configuraciones

emisor común, emisor común con Re y colector

común.

La primera etapa, compuesta por un transistor

en configuración emisor común, ofrece el

grueso de la ganancia de voltaje requerida total

para el circuito. Esta configuración, conocida

también como amplificador de emisor a tierra,

permite altas ganancias de voltaje y corriente es

generalmente usada del mismo modo en que ha

sido usada en el trabajo aquí presentado. En la

figura 1 puede encontrarse el arreglo clásico de

emisor común, polarizado por una fuente de

corriente constante. Este arreglo de

polarización no fue el que usamos, sino uno de

divisor de voltaje.

Diseño amplificador de tensión, ganancia 200 V/V

Rin = 2KΩ y Rout = 100Ω

Desafío III 2

Figura 1: Circuito configuración emisor común.

La configuración emisor común con Re se

diferencia de la configuración regular de emisor

común en que hay una resistencia entre el emisor

y la tierra. Esta configuración es el modelo de la

segunda etapa del amplificador construido y tiene

como cualidad principal mejoras importantes en

cuanto a la sensibilidad hacia los cambios de

temperatura (independencia con respecto a β del

transistor) y una ampliación de la región sin

distorsión no lineal. Sin embargo, debe pagarse un

precio por estas mejoras en el desempeño y tal

precio consiste en una disminución de la ganancia

obtenida con respecto a la configuración básica de

emisor común. La figura 2 muestra la

configuración de emisor común con resistencia

con arreglo de polarización de corriente constante.

Otros arreglos de polarización son posibles, como

el que usamos en el diseño que analizaremos a

continuación, el cual es uno de divisor de tensión.

Figura 2: Circuito configuración emisor común con

resistencia en el emisor.

Debido a la conexión en cascada de las dos (2)

primeras etapas del amplificador, la ganancia

total de éstas será el producto de las ganancias

individuales de cada una de ellas. Por lo tanto,

estas etapas iniciales, basadas en la

configuración emisor común, son suficientes

para proveer un valor cercano al exigido. Sin

embargo, aún resta cumplir la exigencia de una

baja resistencia de salida Ro. Tal exigencia debe

cumplirse modificando lo menos posible la

ganancia obtenida por las dos primeras etapas.

La configuración que permite cumplir esta

necesidad es la de colector común, también

conocida como amortiguador de voltaje, pues

este montaje tiene una resistencia de salida muy

baja con respecto a la de entrada, con una

ganancia de voltaje menor y muy cercana a la

unidad. La figura 3 muestra la configuración de

colector común polarizada por una fuente de

corriente constante.

Desafío III 3

Figura 3: Circuito configuración colector común.

III. METODOLOGÍA

Se desea diseñar y construir un amplificador de

tensión que tenga una ganancia total de

200V/V, que presente una impedancia de

entrada de 2K y una impedancia de salida de

100Ω.

Se quiere un amplificador con una ganancia

importante de 200V/V, la cual no debe invertir

la señal, se debe tener una impedancia de

entrada alta y ganancia alta por lo cual una

etapa emisor común con desacoplo de emisor

sería ideal sin embargo este presenta el

inconveniente de que invierte la señal de salida,

ante esta situación se puede pensar en añadir

una segunda etapa emisor común con lo cual se

soluciona el problema de la inversión y se

obtiene una ganancia más alta, para evitar que

el valor se eleve demasiado omitimos el

desacoplo de emisor, así se puede diseñar tal

que su producto sea cercano al valor deseado,

sin embargo esta presenta una impedancia de

salida en los rangos medio y alto, con lo que es

necesario ubicar una etapa de adaptación de

impedancias. La configuración colector común

es la más adecuada para esta tarea, y debido a

que su ganancia es menor o igual a 1 no altera

el valor de ganancia ajustado antes. Con lo que

satisfacen todas las condiciones. El circuito

propuesto se presenta a continuación:

El transistor que ha sido escogido para el

diseño de este amplificador es el NPN 2N3904,

por ser de uso general y adaptarse bien a las

condiciones del circuito. El diseño empieza

partiendo de los siguientes datos:

Vce = 5.5V

Ie = 1mA

β = 150

Se ha seleccionado una polarización DC de

10V, pues nos permite trabajar con el valor Vce

necesario. Usando la regla de diseño según la

cual Ve = 0.1Vcc, se obtiene:

Ve = 0.1Vcc = (0.1)*(10) = 1 V

De este valor y dibujando una malla base-

emisor se obtiene:

Vb = Vbe+Ve = 0.7 + 1 = 1.7 V.

La corriente dada y el voltaje de emisor

calculado implican una resistencia de emisor

igual a:

Re1= .

La corriente de base es entonces:

Ib1 = .

En cuanto a rπ como parámetro AC relevante

ahora, tenemos que:

rπ = = 3.75K

Si se desea un Rin de 2K , entonces podemos

hallar la resistencia de entrada y, con ello la

resistencia de base Rb que se necesita:

Rin = RB1 ll rπ = (RB1*rπ) / (RB1+rπ)

Desafío III 4

Despejando se obtiene:

RB1 = (Rin * rπ )/ (rπ-Rin) = (2 *3.75)/(3.75-2) =

4.29 KΩ ≈ 4.3KΩ.

Conociendo el valor de voltaje de base VB que

se necesita, es posible calcular una de las

resistencias del divisor de voltaje de la base:

R11 = (VCC/VB1) RB1 = 22.6KΩ.

El otro resistor del divisor de tensión se puede

calcular a partir de la fórmula (obtenida a partir

de resolver un simple paralelo):

R12 = (RB * R11) / (R11-RB) = 5.3 KΩ

El voltaje de colector se obtiene a partir de:

Vc = Vce + Ve = 5.5 + 1 = 6.5V

Además,

IC = βIB = 0.99 mA

De estos valores, podemos deducir:

RC1 = = 5.56 K .

Teniendo en cuenta los datos anteriores, que

corresponden al diseño, tal y como se muestra

en la figura 4, pasamos a simularlo en livewire

en donde la simulación coincide con lo

calculado teóricamente.

Figura 4: Diseño propuesto.

Figura 5: Modelo AC del amplificador propuesto.

Figura 6: Simulación de las etapas de amplificadoras.

Una vez que nos dan tanto los valores calculados

como simulados pasamos a montar el circuito,

tratando de tener los valores de resistencias y

capacitancias más cercanos a los comerciales,

esto es debido a que en el mercado no vienen en

todo tipo de valores las ramas a acoplar en el

circuito, tal y como se muestra en la figura 7.

Figura 7: Montaje del circuito amplificador.

Desafío III 5

Después analizamos las señales de entrada y

salida de nuestro circuito, mediante los

instrumentos de laboratorio como generador

de señales, multímetro, osciloscopio y fuente

de DC, dándonos una tensión Vpp de entrada

de 8.00 mV, y una tensión de 1.6V Vpp en la

salida, por lo tanto la ganancia es de 200v/v,

cumpliéndose entonces con un parámetro que

se pide, para esto se añadieron al circuito dos

etapas de emisor común con resistencia en el

emisor, obteniéndose una salida en fase con la

señal de entrada, una ganancia de 200v/v, una

Rin de 2KΩ y una Rout de 100Ω.

Figura 8: Simulación del circuito con todas sus etapas.

Figura 9: Señales de entrada y salida del circuito.

Para medir la resistencia de entrada Rin,

conectamos un potenciómetro de 10KΩ entre

la base y tierra de la primera etapa, al igual

que el canal 1 del osciloscopio y el 2 2n la

etapa, ahora ajustamos o movemos el

potenciómetro tal y como se muestra en la

figura 10 hasta que la salida sea 800mV que

corresponden a la mitad de la tensión pico-

pico de la salida inicial, sacamos el

potenciómetro y medimos la resistencia que

marca, esta es la resistencia de entrada,

también podemos medir la resistencia de

entrada como la relación de tensión sobre

corriente vista desde la base del primer

transistor.

Figura 10: Medición de la resistencia de entrada Rin.

Para el caso de la resistencia de salida se debe

medir primero el voltaje pico-pico de salida

sin carga. Luego, se calcula teóricamente el

valor de esta resistencia para poder determinar

Desafío III 6

El rango en que se encuentra y escoger un

potenciómetro adecuado, el cual variando el

valor de la resistencia desde su máximo

buscamos obtener entre sus terminales una

tensión iguala la mitad del medido

anteriormente, tal y como se muestra en la

figura 11.

Figura 11: Medición de la resistencia de salida Rout.

Los datos que se usaron para calcular la

resistencia de salida son los siguientes:

La salida de la segunda etapa son 1.6 Vpp por

lo tanto al anexar otra etapa al circuito

debemos planearla con una tensión de base y

colector aproximada de 1.6Vpp, entonces la

ganancia de la última etapa es aproximada a

uno, ahora suponemos una corriente de emisor

en el orden de los mili amperios, con estos

datos se puede empezar a calcular la

resistencia de emisor y la tensión Vcc de la

última etapa.

1,6V = + 0,7V + (o,oo2 A)*Re

IV. CONCLUSIONES

Para este desafío se analizaron las diferentes

configuraciones que puede tener un transistor

como son: emisor común, base común y

colector común, y por medio de estas se diseño

una amplificador con ganancia de tensión de

200v/v, para este desafío particular se usaron

tres etapas las cuales fueron emisor común con

resistencia en emisor, se le añade una cuarta

para mejorar la ganancia de salida, pero esta es

opcional porque se puede ajustar las

resistencias en las otras etapas, pero se utiliza

para que las señales tanto de entrada y salida

estén en fase además se observó que la

ganancia para este amplificador variaba para

frecuencias bajas pero en frecuencias altas este

tendía a estabilizarse. Para la elaboración del

amplificador en si concluimos que era

necesario utilizar la configuración de emisor

común porque esta nos proveía de una

resistencia de entrada alta y una resistencia de

salida baja.

V. REFERENCIAS

[2].DATASHEET Catalog. Buscador de hojas de

datos de dispositivos electrónicos,

www.datasheetcatalog.net.

Manual de guías de Laboratorio. Electrónica I. Julio

A. Maldonado, Nadime I. Rodríguez. Colaboración

de Ing. Mauricio Pardo. Universidad del Norte.

SEDRA, Adel; SMITH, Kenneth. Circuitos

Microelectrónicos. 5ª Ed. McGraw HIll. Mexico

2006.