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DISEÑO DE SISTEMAS ELECTRONICOS INFORME

“ANCHO DE BANDA DE UN AMPLIFICADOR”Monroy Rojas Hoosman, Molina Daniel Sebastián

Universidad de La Salle

Objetivos: Comprobar el funcionamiento de un

transistor BJT como amplificador de corriente.

Analizar, determinar y comprobar el ancho de banda de un amplificador de baja señal

Realizar comparaciones y análisis entre el desarrollo teórico, Simulaciones y mediciones realizadas experimentalmente.

Reconocer el modo de operación de un transistor BJT.

MARCO TEÓRICO Transistor: Es un dispositivo electrónica

que consta de tres terminales base, colector y emisor, este dispositivo permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña.Los transistores se clasifican en dos tipos diferentes dependiendo de su polaridad los PNP y los NPNTransistor NPP: En un transistor NPN la corriente de la base es positiva y la corriente del emisor y del colector son negativas, por lo tanto la corriente del emisor conduce en sentido anti horarioTransistor PNP: En un transistor PNP la corriente de la base es negativa y la corriente del emisor y del colector son positivas, por lo tanto la corriente del emisor conduce en sentido horario.

Zonas de trabajo

El transistor posee tres zonas de funcionamiento.

Zona de saturación: Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable, El diodo colector está polarizado directamente y el transistor se comporta como una pequeña resistencia. El transistor se asemeja en su circuito emisor-colector a un interruptor cerrado.

Zona activa: En este intervalo el transistor se comporta como una fuente de corriente, determinada por la corriente de base, en esta zona el transistor actúa como un amplificador

Zona de corte: No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.

Polarización del transistor.Para que un transistor funcione, bien en la

zona de amplificación, en la de corte o en la de saturación, debe estar polarizado adecuadamente. La unión emisor debe estar polarizada directamente y la unión colector debe de estar polarizada inversamente. Existen tres tipos de polarización, la fija, la de base y la de emisor. La polarización de base se utiliza en circuitos digitales, en los cuales el transistor trabaja en corte o en saturación. La polarización de emisor se utiliza en circuitos amplificadores.

Ancho de banda El procedimiento para medir el ancho de banda es muy simple y es el mismo para cualquier tipo de amplificador o filtro. Se


inyecta una señal en la entrada y se mide su amplitud en la salida. Se varía la frecuencia y se calcula la ganancia para distintos puntos del espectro.

METODOLOGIA

RESULTADOS De acuerdo con la metodología propuesta, se desarrolló el circuito de la Figura N⁰ 1

C 1

9 . 5 u

R 1

2 0 0

R 27 0 k

R 35 . 1 k

R 45 k

R 55 k

R 63 3 0

C 3

2 . 1 u

C 46 0 u

V 12 0

V 2

F R E Q = 1 kV A M P L = 1 0 mV O F F = 0

0

Q 2

Q 2 N 2 2 2 2

Figura N⁰ 1 circuito Para este circuito se realizaron los siguientes cálculos para determinar la ganancia de voltaje y frecuencia de corte del amplificador.

GANACIA=143.2= V oV ∈¿¿

V o=1.39VV ∈¿9.7 mV

Rs=191,92 Ω=rs∨¿¿rs=200 Ω

Rb 1=70 kΩRb 2=5.1 kΩ

ℜ=13.33 Ω=26 mVIe

Ie=1.95 mA

β=200

ℜ=14.28 Ω= Rsβ

+ℜ

Fcorte=185,75= 12∗π∗C∗ℜ

C=60 µF

Posteriormente se realizó el montaje del circuito. En la figura N⁰2 muestra el montaje del circuito en protoboard.

Fig.2. Montaje del circuito en protoboard

GANACIA=144= V oV ∈¿¿

V o=1.3 VV ∈¿9mV

A continuación se muestra la señal voltaje de salida obtenida en el osciloscopio para una frecuencia de 5Khz, en donde se obtuvo un Vpp=4.8V.

Fig.3. Voltaje de salida del amplificador en el osciloscopio

Para determinar la frecuencia de corte inferior y la frecuencia de corte superior se utilizó la siguiente formula.

Vu=3.36 v=4.8∗70 %100%

Después de determinar el voltaje de umbral se realizó la búsqueda de una frecuencia inferior y una frecuencia superior en donde el voltaje pico a pico fuera igual al voltaje de umbral, como resultado se obtuvo.

Fc inferior=180 HzFc superior=400 KHz

Se realizó el mismo procedimiento cambiando los capacitores por capacitores


cerámicos.

GANACIA=157= V oV ∈¿¿

V o=1.3588 VV ∈¿8.2 mV

A continuación se muestra la señal voltaje de salida obtenida en el osciloscopio para una frecuencia de 5Khz, en donde se obtuvo un Vpp=4.72V.

Fig.4. Voltaje de salida del amplificador con condensadores cerámicos en el osciloscopio.

A continuación se halló el voltaje de umbral correspondiente a el circuito

Vu=3.30 v=4.72∗70 %100 %

Teniendo en cuenta el voltaje de umbral se obtuvo las siguientes frecuencias de corte.

Fc inferior=300 HzEn la siguiente figura se muestra la señal voltaje de salida obtenida en el osciloscopio de la frecuencia corte inferior del amplificador.

Fig.5. Voltaje de salida del amplificador en frecuencia inferior.

MODELO A PEQUEÑA SEÑAL EN BAJAS FRECUENCIAS

La fuente de señal DC se hace corto y las capacitancias internas actúan como circuito abierto.


Aplicamos el método de corte circuito. Dejamos la capacitancia de 9.5uF como una fuente de voltaje Vx y las demás capacitancias las cancelamos

La resistencia que ve el capacitor de 9.5uF es igual a:

Rc 1=VxIx

=Rs+Rb∨¿ Rπ=200+( 4750∗12606010 )

¿1195.84 Ω

Ahora aplicamos el mismo método y dejamos el capacitor de 2.1uF y lo convertimos en una fuente, las demás capacitancias se cancelan. El siguiente es el circuito equivalente:

Rc 2=VxIx

=ℜ+Rl=5 k+5 k=10 k

Aplicamos ley de corrientes en el nodo A.

Ix+β∗Ib+ Ib=Vxℜ

Aplicamos ley de voltajes en la maya 1.

¿

De ahí se deduce que la resistencia vista desde el capacitor de 60uF

Rce=330∨¿1.26 K+(191.9 )

81=360.98

La frecuencia de corte es la siguiente:

Wl= 1Rc 1. C 1

+ 1Rc 2.C 2

+ 1Rce . Ce

=175.5 Hz

R 1 05 k

R 1 15 k

V x 1

0 0


Fc superior=300 KHzEn la siguiente figura se muestra la señal voltaje de salida obtenida en el osciloscopio de la frecuencia corte superior del amplificador.

Fig.5. Voltaje de salida del amplificador en frecuencia superior.

MODELOS A ALTAS FRECUENCIAS

Las capacitancias se hacen cortos

Se procede al método de superposición

Rcπ=¿

Vx= I * RCπ + (Ix + gmVπ)*(Rc||RL)

Rcm = Rc||RL + RCπ(1 + gm*Rc||RL)

Rcm = 5k||5k + 165.62 Ω (1 + 0.063*5k||5k)

Resultados simulación

En la siguiente figura se muestra la simulación del circuito en Orcad-PsPice

Fig.6. simulación del circuito en Orcad-PsPice.

En la siguiente tabla se muestra la comparación entre los resultados teóricos obtenidos en la simulación en Orcad-PsPice y los resultados experimentales vistos en el multímetro al realizar el montaje

Colector Base Emisor

T E T E T E

Voltaje (V) 10.29V 10V 1.305V 1.3V 0.64V 0.6V

Corriente(mA) 1.94mA 2mA 0.01mA 0.01mA 1.95mA 1.81mA


Tab.1. comparación de resultados teóricos y experimentales.

A continuación se muestra la comparación entre la frecuencia de corte obtenida en la simulación y la frecuencia de corte obtenida por medio de cálculos teóricos.

Tab.2.

frecuencia de corte

MODELO EN DC

Se cancelan los capacitores ya que actúan como circuito abierto.

CIRCUITO EQUIVALENTE

Vth=20 V∗5.1 k75.1k

=1.358 V

Rth=70 k∨¿5.1 k=70 k∗5.1 k75.1 k

=4.75 k

Se aplica ley de voltajes de Kirchhoff

1.358 V=4.75 k∗ib+0.7+330 βib

ib=1.98∗10−5 A

β=80

β= icib

ic=ib∗β=(1.98∗10−5 A )∗80=1.58mA

α= β1+β

=0.987

R 17 0 K

R 25 K

R 35 . 1 K

R 43 3 0

Q 1

Q 2 N 2 2 2 2

0

R 3

4 . 7 5 K

R 43 3 0

Q 1

Q 2 N 2 2 2 2

0

V 1

1 . 3 5 8 V d c

0

V 22 0 V d c

0

R 55 k

Frecuencia de corte simulación

Frecuencia de corte calculo

175.52Hz 185.75Hz


ib=(1−α ) ie ie= ib(1−α)

ie=1.98∗10−5 A1−0.987

=1.5230 mA

rπ=VTib

= 25 mV

1.98∗10−5 A=1.26 KΩ

gm= IcVT

=1.58 mA25 mV

=0.063

CONCLUSIONES

Al utilizar capacitancias internas de valor mayor, se observa que el ancho de banda y las frecuencias de corte superior se aumentan de igual manera.

Las frecuencias de corte inferior son mas grandes en capacitancias internas menores aunque el cambio que ocurre es mínimo en unidades de Hz.

REFERENCIAS

http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/ Tema%201.%20Amplificadores%20Operacionales.pdf

] SEDRA A., SMITH K., Microelectronic Circuit, Oxford University Press, 5th Ed. 2003

http://books.google.com.co/books?id=Jd-TIqo3EkIC&pg=PA279&lpg=PA279&dq=%E2%80%9CANCHO+DE+BANDA+DE+UN+AMPLIFICADOR%E2%80%9D&source=bl&ots=sChiXLlB6B&sig=UEFthHSXR8RAwNtWCDjaBEPA8to&hl=es&sa=X&ei=yqYdUauhF4_U9ATf-YGIDA&redir_esc=y#v=onepage&q=%E2%80%9CANCHO%20DE%20BANDA

%20DE%20UN%20AMPLIFICADOR%E2%80%9D&f=false

http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%201.%20Amplificadores%20Operacionales.pdf



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