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CONTENIDO DE LA CARPETA PARA PROCESO DE
ACREDITACIÓN SATCA1
Pág.
Ubicación del Curso en el Programa
Copia de la Retícula con la Materia Resultada en Color……………………... 3
Datos de la asignatura
Contenido completo de la materia………………………………………... …. 4
Titulares de la Materia
Listado de Catedráticos que imparten la materia…………………………….. 17
Temario
Unidad 1: Amplificadores multietapa. 21
1.1. Análisis con BJT……………………………………………………………… 21
1.1.1. Introducción al análisis con BJT. . ………………………………... 21
1.1.2. Principio de Superposición………………………………………... 23
1.1.3. Nomenclatura……………………………………………………… 24
1.1.4. Recta de Carga Estática……………………………………………. 25
1.1.5. Recta de Carga Dinámica………………………………………….. 27
1.2. Análisis con JFET…………………………………………………………….. 29
1.2.1. Estructura y características del JFET…………………………………….. 30
1.2.2. Análisis de la polarización del
JFET……………………………………
32
1.2.3. Ejemplos de Polarización del JFET……………………………….. 38
1.2.4. Modelo de señal del JFET…………………………………………. 41
1.2.5 Amplificador en fuente común…………………………………….. 42
1.3. Análisis de circuitos mixtos (BJT y JFET)…………………………………… 44
1.3.1. Tipos de acoplamiento…………………………………………….. 44
Diseño con Transistores Página 1
1.3.2. Acoplamiento directo……………………………………………… 45
1.3.3. Acoplamiento capacitivo…………………………………………... 46
Unidad 2: Arreglos especiales.
49
2.1. Darlington……………………………………………………………………. 49
2.1.1. Características……………………………………………………... 49
2.1.2. Desventajas………………………………………………………… 49
2.1.3. Darlington Complementario……………………………………….. 50
2.1.4. Configuración Darlington en Colector Común……………………. 50
2.1.4.1 Fórmulas para el cálculo del Darlington………………… 51
2.2. Amplificador Diferencial……………………………………………………. 52
2.2.1. Configuración Básica……………………………………………… 52
2.2.2 Análisis en Corriente Directa (C.D)……………………………….. 53
2.2.3. 3 Causas por las que el voltaje de salida entre colectores no sea
cero (0)
54
2.2.4 Análisis en Corriente Alterna (C.A)……………………………….. 55
2.2.5. Ganancia en Modo Común (Av.(MC))……………………………… 56
2.2.6. Ganancia en Modo Diferencial (Av.(MD))………………………….. 56
2.2.7. Características del Amplificador Diferencial……………………… 56
2.3. Amplificador Diferencial Espejo de Corriente…………………………….. 57
2.4. Amplificador Diferencial con Fuente de Corriente……………………….. 58
2.4.1. Ventajas……………………………………………………………. 59
2.4.2. Desventajas………………………………………………………… 59
2.5 Carga Activa…………………………………………………………………. 60
2.6 Amplificador sintonizado………………………………………………….... 61
2.6.1. Circuito Equivalente para C.D…………………………………….. 61
2.6.1.1. Recta de Carga para C.D………………………………. 62
2.6.2. Circuito Equivalente para C.A……………………………………. 63
Diseño con Transistores Página 2
2.6.2.1. Recta de Carga para C.A……………………………….. 63
2.6.3. Frecuencia de Resonancia (Fr)…………………………………….. 64
2.6.4 Factor de Calidad (Q)……………………………………………… 65
2.6.5 Ancho de Banda (Bw) …………………………………………….. 65
Unidad 3: Respuesta a la frecuencia.
67
3.1. Respuesta en baja y alta frecuencia del amplificador BJT. …………………………. 67
3.1.1. Respuesta en Frecuencia de un Amplificador. …………………… 67
3.1.2. Respuesta de un amplificador de alterna. ………………………… 67
3.1.2.1. Frecuencias de corte. ……………………………………….. 68
3.1.2.2. Banda media. ………………………………………………… 69
3.1.2.3 Fuera de las frecuencias medias. …………………………….. 69
3.1.3. Respuesta de un amplificador de continua. ……………………………… 71
3.1.4. Ganancia de tensión en decibelios. ……………………………………… 72
3.1.5. Diagrama de Bode. ………………………………………………………. 74
3.1.5.1 Octavas. ……………………………………………………… 75
3.1.5.2. Décadas. ……………………………………………………... 75
3.1.5.3. Circuito RC de desacoplo……………………………………. 76
3.1.5.4. Condensador de acoplo a la Entrada…………………………. 77
3.1.5.5. Condensador de acoplo a la salida. ………………………….. 77
3.1.5.6. Condensador de desacoplo de emisor………………………... 78
3.1.6. Teorema de Miller……………………………………………………….. 80
3.1.6.1. Condensador de realimentación. …………………………….. 80
3.1.6.2. Conversión del condensador de realimentación. …………….. 80
3.1.6.3. Circuito de desacoplo de colector. …...……………………… 81
3.1.6.4. Circuito de desacoplo de la base. ……………………………. 82
3.2. Respuesta en baja y alta frecuencia del amplificador JFET. ………………………… 83
3.2.1. Formulas. ………………………………………………………………… 84
Diseño con Transistores Página 3
Unidad 4: Amplificadores Retroalimentados…………………………….. 85
4.1. Configuración General………………………………………………………... 85
4.1.1 Ganancia de Lazo Cerrado………………………………………… 85
4.2. Topologías de retroalimentación. ……………………………………………. 86
4.2.1 Topología Serie-Paralelo………………………………………….. 87
4.2.2 Topología Paralelo-Serie………………………………………….. 87
4.2.3 Topología Serie-Serie……………………………………………… 88
4.2.4 Topología Paralelo-Paralelo………………………………………. 88
4.3. Efectos de la retroalimentación………………………………………………. 89
4.4 Tipos de retroalimentación…………………………………………………… 89
4.4.1 Retroalimentación Negativa………………………………………. 89
4.4.2 Retroalimentación Positiva………………………………………… 89
4.5. Respuesta en frecuencia. ……………………………………………………... 90
4.6. Ejemplo de Amplificador Retroalimentado…………………………………... 91
Unidad 5: Amplificadores de potencia. ……………………………………. 95
5.1 Conceptos básicos y aplicación. ……………………………………………… 95
5.1.1. Clasificación de los amplificadores de potencia…………………... 95
5.1.2. Relaciones básicas en los amplificadores de potencia…………….. 96
5.1.3. El amplificador clase A. ………………………………………….. 98
5.2. Análisis de expresiones de potencia y eficiencia. …………………………………… 100
5.2.1. Análisis del amplificador Clase A. ……………………………………… 104
5.2.2. Análisis del amplificador Clase B. ………………………………………. 105
5.3 Análisis de efecto térmico y distorsión. ……………………………………… 109
5.3.1. Análisis térmico. ………………………………………………….. 109
5.3.2. Distorsión. ……………………………………………………………….. 111
5.3.3. Distorsiones medibles……………………………………………… 113
5.3.4. Distorsiones temporales. TIM (SID). ……………………………. 115
5.3.5. Distorsiones térmicas. ……………………………………………. 116
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5.3.6. Mecanismos de audición. ……………………………………………….. 117
5.3.7. Efectos de la distorsión: tipos de componente…………………….. 117
5.4 Análisis y diseño de amplificadores de potencia. …………………………………… 118
5.5 Efectos de ruido………………………………………………………………. 119
5.5.1. Ruido aleatorio. …………………………………………………… 119
5.5.2. Ruido periódico. …………………………………………………………. 120
Practicas
1 Amplificador multietapa……………………………………………………… 121
2 Amplificadores en cascada……………………………………………………. 126
3 Amplificador sintonizado……………………………………………………... 134
4 Amplificador Diferencial espejo de corriente ……………………………………. 141
5 Respuesta a la frecuencia en baja BJT………………………………………………. 147
6 Respuesta a la frecuencia en baja JFET …………………………………………….. 152
7 Respuesta a la frecuencia en alta BJT……………………………………………….. 156
8 Respuesta a la frecuencia en alta JFET ……………………………………………… 162
9 Amplificadores retroalimentados ……………………………………………………. 168
10 Amplificadores de potencia puch-pull ………………………………………………. 173
11 Amplificador con preamplificador …………………………………………… 178
12 Proyecto Final………………………………………………………………… 182
Criterios de evaluación hacia el alumno
1 Se tomaron en cuenta para la evaluación, tareas, asistencias, participación en clase, Investigaciones, exámenes (2)
186
Reactivos o Exámenes Expuestos1 Primer Examen………………………………………………………………... 187
2 Segundo Examen……………………………………………………………... 192
Diseño con Transistores Página 5
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1.- DATOS DE LA ASIGNATURA
Nombre de la asignatura: Diseño con Transistores
Carrera: Ingeniería Electrónica
Clave de la asignatura: ETF-1013
SATCA1 3-2-5
2.- PRESENTACIÓN
Caracterización de la asignatura.
Esta asignatura corresponde al bloque de diseño de ingeniería, es una materia fundamental
para la formación integral de los estudiantes dado que propicia el uso de: equipo de
mediciones eléctricas, manuales de fabricantes de dispositivos electrónicos, y software de
diseño, comprende la solución problemas complejos, desarrolla habilidades de:
pensamiento lógico, creativo, y actitud para trabajar en equipo; aplica las tecnologías de la
información y de la comunicación para la adquisición y procesamiento de información de
manera natural, permanente y eficiente.
Aporta al perfil del ingeniero en electrónica los conocimientos, las habilidades y las
actitudes para diseñar, simular, construir y analizar la respuesta en el dominio de la
frecuencia de circuitos electrónicos analógicos basados en amplificadores con transistores
bipolares y unipolares; en baja, media y alta frecuencia, en lazo abierto, lazo cerrado, y
amplificadores de potencia, utilizando herramientas computacionales y equipo de
laboratorio de mediciones eléctricas.
La materia de diseño con transistores, desarrolla la habilidad para identificar problemas y
realizar proyectos para su posible solución.
Contribuye a desarrollar la habilidad para comunicarse con efectividad en forma oral y
escrita así como participar en equipos de trabajo interdisciplinario.
Diseño con Transistores Página 8
Está estructurada de tal manera que se aplican las teorías de análisis de circuitos eléctricos,
las características eléctricas de las diferentes configuraciones de los transistores BJT y
JFET, y de los diferentes circuitos de polarización, el modelo del cuadripolo equivalente
para baja, media y alta frecuencia, los conocimientos y la comprensión del
comportamiento a frecuencia media de circuitos amplificadores de pequeña señal. El
análisis de circuitos electrónicos utilizando software de simulación. El criterio de
estabilidad de Bode para analizar la respuesta de un sistema en el dominio de la frecuencia.
El manejo de equipo de mediciones eléctricas como osciloscopio, multímetro, generador
de señales.
En la primera unidad se diseñan y analizan circuitos amplificadores de varias etapas, para
conocer y comprender su comportamiento a pequeña señal y frecuencia media.
En la segunda unidad se analiza la operación y se determina la ganancia de amplificadores
en arreglos especiales así mismo se identifica su aplicación.
En la tercera unidad se analiza la respuesta en frecuencia de los amplificadores
transistorizados.
En la cuarta unidad se estudian los efectos del fenómeno de retroalimentación en los
circuitos amplificadores, en baja y alta frecuencia.
Finalmente, en la quinta unidad se analizan y diseñan amplificadores de potencia basados
en dispositivos discretos.
Intención didáctica.
El estudiante a través del conocimiento y comprensión de los conceptos más relevantes del
comportamiento de los diferentes tipos de amplificadores basados en transistores de unión
y de efecto de campo analiza circuitos electrónicos para la resolución de problemas de
manera grupal e individual, el desarrollo de proyectos, y su exposición en plenaria ante el
grupo, la simulación de los circuitos utilizando herramientas computacionales, y trabajo en
equipo para la realización de prácticas en el laboratorio de electrónica para su
comprobación a través de equipo de medición.
Diseño con Transistores Página 9
Esto le permite adquirir los conocimientos para el diseño, análisis y aplicación de
amplificadores así como las habilidades en el manejo de equipo electrónico, software,
manuales de fabricante.
Desarrolla la habilidad para identificar y resolver problemas, hacer experimentos y
reportes de resultados de forma oral y escrita y hacer presentaciones utilizando las TICs
para hacer presentaciones ante el grupo, al trabajo colaborativo al trabajar en equipo y
hacerse responsable de su aprendizaje y a la práctica de los valores con respeto a la
pluralidad y diversidad del grupo.
El profesor debe ser un profesional que conozca la génesis del conocimiento de la
electrónica, debe tener un conocimiento profundo de la electrónica, manejar herramientas
computacionales, software de simulación de circuitos, equipo de prueba de laboratorio
como multímetro, osciloscopio, generador de señales, identificar y conocer las aplicaciones
de la electrónica en el contexto actual.
3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Competencias específicas:
Analizar, diseñar y construir circuitos amplificadores de múltiples etapas,
configuraciones especiales, amplificadores sintonizados, amplificadores de lazo
abierto y cerrado, así como amplificadores de potencia, para su aplicación en
diferentes circuitos integrados lineales.
Analizar la respuesta a la frecuencia de los amplificadores basados en transistores
bipolares y unipolares
Competencias genéricas:
Competencias instrumentales
Capacidad de análisis y síntesis.
Capacidad de organizar y planificar.
Conocimientos generales básicos y de la carrera.
Comunicación oral y escrita en su propia lengua.
Diseño con Transistores Página 10
Conocimiento de una segunda lengua.
Habilidades básicas de manejo de la computadora.
Habilidades de gestión de información (habilidad para buscar y analizar
información proveniente de fuentes diversas).
Solución de problemas.
Toma de decisiones.
Competencias interpersonales
Capacidad crítica y autocrítica.
Trabajo en equipo.
Habilidades interpersonales.
Capacidad de trabajar en equipo interdisciplinario.
Capacidad de comunicarse con profesionales de otras áreas.
Compromiso ético.
Competencias sistémicas
Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica.
Habilidades de investigación.
Capacidad de aprender.
Capacidad de adaptarse a nuevas situaciones.
Capacidad de generar nuevas ideas (creatividad).
Liderazgo.
Habilidad para trabajar en forma autónoma.
Capacidad para diseñar y gestionar proyectos.
Iniciativa y espíritu emprendedor.
Preocupación por la calidad.
Búsqueda del logro.
4.- HISTORIA DEL PROGRAMA
Lugar y fecha de elaboración o revisión
Diseño con Transistores Página 11
Instituto Tecnológico Superior de Irapuato del 24 al 28 de agosto de 2009.
Representantes de los Institutos.
Participantes
Tecnológicos de:
Aguascalientes, Apizaco, Cajeme, Celaya, Chapala, Chihuahua, Ciudad Guzmán, Ciudad
Juárez, Cosamaloapan, Cuautla, Culiacan, Durango, Ecatepec, Ensenada, Hermosillo,
Irapuato, La Laguna, Lázaro Cárdenas, Lerdo, Lerma, Los Mochis, Matamoros, Mérida,
Mexicali, Minatitlán, Nuevo Laredo, Orizaba, Piedras Negras, Reynosa, Salina Cruz,
Saltillo, Sur De Guanajuato, Tantoyuca, Tijuana, Toluca, Tuxtepec, Veracruz y Xalapa
Evento
Reunión Nacional de Diseño e Innovación Curricular para el Desarrollo y Formación de
Competencias Profesionales de la Carrera de Ingeniería en Electrónica.
Lugar y fecha de elaboración o revisión
Desarrollo de Programas en Competencias Profesionales por los Institutos Tecnológicos
del 1 de septiembre al 15 de diciembre.
Participantes
Academias de Ingeniería Electrónica de los Institutos Tecnológicos de:
Chihuahua, Minatitlán, Tantoyuca, Hermosillo, Mexicali, Xalapa, Orizaba
Evento
Elaboración del programa de Estudio propuesto en la Reunión Nacional de Diseño
Curricular de la Carrera de Ingeniería Electrónica.
Lugar y fecha de elaboración o revisión
Reunión Nacional de Consolidación del Diseño e Innovación Curricular para la Formación
y Desarrollo de Competencias Profesionales del 25 al 29 de enero del 2010 en el Instituto
Tecnológico de Mexicali.
Participantes
Diseño con Transistores Página 12
Representantes de los Institutos Tecnológicos de:
Aguascalientes, Apizaco, Cajeme, Celaya, Chapala, Chihuahua, Ciudad Guzmán, Ciudad
Juárez, Cosamaloapan, Cuautla, Durango, Ecatepec, Ensenada, Hermosillo, Irapuato, La
Laguna, Lázaro Cárdenas, Lerdo, Lerma, Los Mochis, Matamoros, Mérida, Mexicali,
Minatitlán, Nuevo Laredo, Orizaba, Piedras Negras, Reynosa, Salina Cruz, Saltillo, Sur De
Guanajuato, Tantoyuca, Toluca, Tuxtepec, Veracruz y Xalapa.
Evento
Reunión Nacional de Consolidación de los Programas en Competencias Profesionales de la
Carrera de Ingeniería Electrónica.
5.- OBJETIVO GENERAL DEL CURSO
Analizar, diseñar y construir circuitos amplificadores de múltiples etapas, configuraciones
especiales, amplificadores sintonizados, amplificadores de lazo abierto y cerrado, así como
amplificadores de potencia, para su aplicación en diferentes circuitos integrados lineales.
Analizar la respuesta a la frecuencia de los amplificadores basados en transistores
bipolares y unipolares.
6.- COMPETENCIAS PREVIAS
Aplicar las técnicas de análisis de circuitos eléctricos.
Aplicar parámetros de redes de dos puertos.
Manejar equipo de medición.
Utilizar software de simulación.
Diseño con Transistores Página 13
Diseñar, analizar, simular y construir circuitos amplificadores de frecuencia media
utilizando transistores bipolares y unipolares.
Obtener e interpretar Diagramas de Bode
Elaborar reportes de investigación.
Formular, evaluar y ejecutar proyectos de aplicación electrónica
7.- TEMARIO
1. Amplificadores multietapa.
1.1. Análisis con BJT.
1.2. Análisis con JFET.
1.3. Análisis de circuitos mixtos (BJT y JFET).
2. Arreglos especiales 2.1. Darlington.
2.2. Diferencial.
2.3. Cascode.
2.4. Amplificador sintonizado.
2.5. Espejo de corriente.
2.6. Fuente de corriente.
2.7. Carga Activa.
3. Respuesta a la frecuencia.
3.1. Respuesta en baja y alta frecuencia Del amplificador BJT.
3.2. Respuesta en baja y alta frecuencia del amplificador JFET.
3.3. Ganancia ancho de banda del amplificador.
3.4. Amplificador sintonizado
4. Amplificadores Retroalimentados.
4.1. Topologías de retroalimentación.
4.2. Efectos de la retroalimentación.
4.3. Respuesta en frecuencia.
5. Amplificadores de potencia
Diseño con Transistores Página 14
5.1. Conceptos básicos y aplicación.
5.2. Análisis de expresiones de potencia y eficiencia.
5.3. Análisis de efecto térmico y distorsión.
5.4. Análisis y diseño de amplificadores de potencia.
5.5. Efectos de ruido
8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS
Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en distintas
fuentes.
Propiciar el uso de las tecnologías de información y comunicación en el desarrollo
de los contenidos de la asignatura.
Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio
argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración de y entre los
estudiantes.
Propiciar, en el estudiante, el desarrollo de actividades intelectuales de inducción-
deducción y análisis-síntesis, las cuales lo encaminan hacia la investigación, la
aplicación de conocimientos y la solución de problemas.
Llevar a cabo actividades prácticas que promuevan el desarrollo de habilidades
para la experimentación, tales como: observación, identificación manejo y control
de variables y datos relevantes, planteamiento de hipótesis, de trabajo en equipo.
Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de los conceptos,
modelos y metodologías que se van aprendiendo en el desarrollo de la asignatura.
Propiciar el uso adecuado de conceptos y de terminología científico tecnológica.
Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente así
como con las prácticas de una ingeniería bajo las premisas de la sustentabilidad.
Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campo ocupacional.
Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan de estudios
para desarrollar una visión interdisciplinaria en el estudiante.
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9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN
1. Reportes y actividades realizadas en el laboratorio.
2. Considerar la participación en las actividades programadas en la materia:
Participación en clases.
Cumplimiento de tareas y ejercicios.
Exposición de temas.
Asistencia.
Participación en grupos de discusión.
Participación en congresos o concursos.
Solución de problemas.
3. Aplicar exámenes escritos considerando que no sea el factor decisivo para la
acreditación del curso.
4. Evaluar el desarrollo de los proyectos.
5. Considerar el desempeño integral del alumno.
10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE
Unidad 1: Amplificadores Multietapa.
Competencia específica a desarrollar
Analizar, simular, diseñar y construir circuitos amplificadores multietapa basados en
transistores bipolares, unipolares y mixtos.
Diseño con Transistores Página 16
Actividades de Aprendizaje
Buscar, seleccionar y analizar información en las distintas fuentes bibliográficas
propuestas; sobre el comportamiento, la estructura y aplicación de amplificadores
multietapa con BJT, FET y mixtos.
En pequeños grupos analizar la información y reflexionar sobre el funcionamiento
y aplicación de los amplificadores multietapa.
Hacer un reporte de investigación de manera escrita, que contenga circuitos,
conceptos, ecuaciones y al final elaborar un mapa conceptual a manera de resumen.
Calcular la ganancia de amplificadores multietapa, de manera individual y por
equipo, comparar los resultados de éstos con un amplificador de una sola etapa.
Analizar un amplificador multietapa con acoplamiento directo.
Utilizar herramientas computacionales para simular el comportamiento de circuitos.
En equipo de trabajo comprobar en el laboratorio que el comportamiento de los
circuitos multietapa sea de acuerdo al diseño y al resultado de la simulación.
Desarrollar sus actividades con honestidad, responsabilidad y respeto.
Hacer el reporte escrito de la práctica, esta deberá incorporar: los resultados de la
simulación, diagramas, cuadros, gráficos de las señales de entrada y salida, y tablas
de resultados, y conclusiones, para evidenciar las actividades realizadas por el
equipo de trabajo.
Unidad 2: Arreglos Especiales.
Competencia específica a desarrollar
Arreglos especiales.
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Actividades de Aprendizaje
Buscar, seleccionar y analizar información en las distintas fuentes bibliográficas
propuestas; sobre la estructura, el comportamiento y aplicación de amplificadores
en arreglos especiales.
Analizar la información en grupos pequeños y presentar los resultados del análisis
en plenaria utilizando recursos computacionales.
Simular el comportamiento de circuitos amplificadores en configuraciones
especiales, y amplificador sintonizado.
En el laboratorio de electrónica construirá circuitos amplificadores de diferentes
tipos, para observar el comportamiento de los circuitos amplificadores en
configuraciones especiales, y amplificador sintonizado.
Hacer el reporte escrito de la práctica, esta deberá incorporar: los resultados de la
simulación, diagramas, cuadros, gráficos de las señales de entrada y salida, y tablas
de resultados, y conclusiones, para evidenciar las actividades realizadas por el
equipo de trabajo.
Unidad 3: Repuesta a la Frecuencia del Amplificador.
Competencia específica a desarrollar
Repuesta a La Frecuencia Del
Amplificador.
Actividades de Aprendizaje
Buscar, seleccionar y analizar información en las distintas fuentes bibliográficas
propuestas; sobre la respuesta en frecuencia de los amplificadores.
Analizar la información en grupos pequeños y presentar los resultados del análisis
en plenaria utilizando recursos computacionales.
Observar y analizar la solución de un problema tipo resuelto por el profesor para
resolver problemas de manera autónoma.
Diseño con Transistores Página 18
Investigar y analizar problemas resueltos en el libro que determinen el ancho de
banda de un amplificador
Analizar y descomponer el problema en partes e Identificar los conocimientos y
métodos necesarios para su resolución
Resolver problemas que involucren el ancho de banda del circuito.
Simular y analizar la respuesta en frecuencia de los circuitos utilizando
herramientas computacionales.
Construir amplificadores, utilizando transistores bipolares y unipolares para
observar su comportamiento en frecuencia.
Hacer el reporte escrito de la práctica, esta deberá incorporar: los resultados de la
simulación, diagramas, cuadros, gráficos de las señales de entrada y salida, y tablas
de resultados, y conclusiones, para evidenciar las actividades realizadas por el
equipo de trabajo.
Unidad 4: Amplificadores con Retroalimentación.
Competencia específica a desarrollar Actividades de Aprendizaje
Analizar e identificar los efectos de las diferentes topologías de circuitos retro alimentados
en los amplificadores que utilizan transistores bipolares y unipolares así como su efecto en
la respuesta en frecuencia.
Actividades de Aprendizaje
Buscar y seleccionar información general de los amplificadores retroalimentados,
que permita afrontar los temas relacionados con la introducción de la
retroalimentación negativa o positiva en un amplificador y la influencia sobre la
amplificación, banda, resistencias de entrada y salida, ruido.
Analizar teóricamente y experimentalmente las diferentes configuraciones de
retroalimentación.
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Hacer una comparación de los parámetros del amplificador con y sin
retroalimentación.
Analizar problemas resueltos en la bibliografía recomendada.
Verificar en el laboratorio que el comportamiento del circuito sea de acuerdo al
diseño y resultado de la simulación.
Desarrollar sus actividades con honestidad, responsabilidad y respeto.
Unidad 5: Amplificadores de Potencia.
Competencia específica a desarrollar
Determinar la potencia y eficiencia de amplificadores de potencia; explicar los efectos de
la temperatura y distorsión en la eficiencia del circuito para su análisis, diseño y
construcción.
Actividades de Aprendizaje
Buscar y seleccionar información general de los amplificadores de potencia.
Hacer un cuadro comparativo de las diferentes tipos de amplificadores.
Analizar expresiones de potencia y eficiencia.
Analizar los efectos: térmico, distorsión y ruido.
Observar y analizar la solución de un problema tipo resuelto por el profesor para
resolver problemas de manera autónoma.
Investigar y analizar problemas resueltos en el libro.
Analizar y descomponer el problema en partes y aplicar los conocimientos y
métodos necesarios para su resolución.
Resolver problemas que involucren el cálculo de la potencia y la eficiencia de los
amplificadores de potencia.
Calcular la eficiencia de un circuito y describir los efectos de la temperatura en su
comportamiento.
Identificar y seleccionar la clase del amplificador para su aplicación específica.
Diseño con Transistores Página 20
Verificar en el laboratorio que el comportamiento del circuito sea de acuerdo al
diseño y al resultado de la simulación.
Desarrollar sus actividades con honestidad, responsabilidad y respeto.
Hacer el reporte escrito de la práctica, esta deberá incorporar: los resultados de la
simulación, diagramas, cuadros, gráficos de las señales de entrada y salida, y tablas
de resultados, y conclusiones, para evidenciar las actividades realizadas por el
equipo de trabajo.
11.- FUENTES DE INFORMACIÓN
1. Sedra, Adel S. Microelectronics Circuits. Mc. Graw Hill, 5ª Ed
2. Boylestad Robert L., Nashelsky Louis , Electrónica Teoría de Circuitos y Dispositivos
Electrónicos, Décima edición, Editorial Prentice Hall. México, 2009.
3. Savant. Roden, Carpenter, Diseño Electrónico, Circuitos y Sistemas, Prentice Hall.
4. Malvino Albert Paul, Principios de Electrónica Ed. Mc Graw Hill.
5. Millman Jacob, Halkias Cristos C., Electrónica integrada circuitos y sistemas
analógicos y digitales, Editorial Hispano Europea, S. A. 9ª Edición.
6. Grob. Circuitos electrónicos y sus aplicaciones. Ed. Mc Graw Hill
7. Floyd, Dispositivos Electrónicos, Editorial Prentice Hall.
12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS
Amplificador multietapa
Amplificadores en cascada
Amplificador sintonizado
Amplificador Diferencial espejo de corriente
Respuesta a la frecuencia en baja BJT
Respuesta a la frecuencia en baja JFET
Respuesta a la frecuencia en alta BJT
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Respuesta a la frecuencia en alta JFET
Amplificadores retroalimentados
Amplificadores de potencia puch-pull
Puch-pull con preamplificador
TITULAR DE LA MATERIA
ING. ALEJANDRO VILLEGAS GONZÁLEZ
Diseño con Transistores Página 22
Unidad 1. Amplificadores Multietapa
Introducción:
Los aplicadores multietapa son circuitos electrónicos formados por varios transistores (BJT
o FET), que pueden ser acoplados en forma directa o mediante capacitores. Las
configuraciones clásicas son el par Darlington (alta impedancia de entrada e incremento de
la ganancia de corriente), el par diferencial (Relación de rechazo en modo común elevada),
el amplificador casco de (alta impedancia de salida). Todas estas etapas amplificadoras
pueden ser integradas y encapsuladas en un chip semiconductor llamado Circuito Integrado
(CI). En el CI las polarización de las etapas se hace usando fuentes de corriente, debido a
la mayor facilidad de construcción (a través de transistores). La combinación de distintas
tecnologías permitirá mejorar la prestación de los sistemas diseñados.
Un amplificador se describe un circuito capaz de procesar las señales de acuerdo a la
naturaleza de su aplicación. El amplificador sabrá extraer la información de toda señal, de
tal manera que permita mantener o mejorar la prestación del sistema que genera la señal
(sensor o transductor usado para la aplicación).
Se llama amplificador multietapa a los circuitos o sistemas que tienen múltiples
transistores y además pueden ser conectadas entre sí para mejorar sus respuestas tanto en
ganancia, Zin, Zout o ancho de banda. Las aplicaciones pueden ser tanto de cc como de ca.
Diseño con Transistores Página 23
1.1.1-Análisis con BJT.
En el circuito de figura 1.1. Se muestra un circuito típico de un amplificador de tensión con
un transistor BJT en emisor común polarizado en la zona activa. Con él se trata de
amplificar una tensión cualquiera vi y aplicarla, una vez amplificada, a una carga que
simbolizamos por la resistencia RL. La zona sombreada resalta el amplificador, que en este
caso, lo constituye un transistor BJT en la configuración emisor común. El cual,
convenientemente polarizado en la zona activa, es capaz de comportarse como un
amplificador de tensión como ya se mencionó en el capítulo anterior.
Los capacitores C1 y C2 que aparecen se denominan capacitores de acoplo y sirven para
bloquear la componente continua. En concreto C1 sirve para acoplar la tensión que
queremos amplificar al amplificador propiamente dicho, eliminando la posible componente
continua que esta tensión pudiera tener. Si no bloqueásemos esta continua se sumaría a las
corrientes de polarización del transistor modificando el punto de funcionamiento del
mismo. Por otra parte, el capacitor C2 nos permite acoplar la señal amplificada a la carga,
Diseño con Transistores Página 24
eliminando la componente continua (la correspondiente al punto de polarización del
transistor) de forma que a la carga llegue únicamente la componente alterna.
El capacitor C3 es un capacitor de desacoplo, su misión es la de proporcionar un camino a
tierra a la componente alterna. En el capítulo anterior se analizó el efecto de la resistencia
RE desde el punto de vista de su efecto en la estabilización del punto de polarización. Sin
embargo, en este capítulo veremos cómo desde el punto de vista de la amplificación, esta
resistencia hace disminuir la ganancia del amplificador. Al añadir el capacitor de desacoplo
conseguimos que la continua pase por RE mientras que la alterna pasaría por el capacitor C3
consiguiendo que no afecte a la amplificación.
1.1.2 Principio de Superposición:
Vamos a abordar el análisis de este tipo de circuitos amplificadores. Para ello aplicaremos
el principio de superposición. En cada punto o rama calcularemos las tensiones y
corrientes de continua y de alterna por separado, de forma que al final las tensiones y
corrientes finales serán la suma de las calculadas en cada parte. Para ello vamos a suponer
que el valor de la capacidad de los condensadores, así como la frecuencia de las señales
que tenemos es tal que la impedancia que presentan los condensadores es lo
suficientemente pequeña para considerarla nula. Mientras que en continua, estos
condensadores presentarán una impedancia infinita. Es decir, consideraremos que en
continua los condensadores se comportan como circuitos abiertos (impedancia ∞) mientras
que en alterna equivaldrán a cortocircuitos (impedancia 0).
Diseño con Transistores Página 25
Aplicando estas consideraciones obtendremos los circuitos equivalentes en DC y en AC
que tendremos que resolver separadamente.
Si en el circuito amplificador de la figura 1.1 aplicamos la condición de que los
condensadores se comportan como circuitos abiertos, obtenemos el circuito equivalente en
continua (figura 1.3). Podemos ver como este circuito es, precisamente, el circuito de
polarización del transistor cuyo estudio ya se abordó en el tema anterior y de cuya
resolución obtendríamos las tensiones y corrientes de continua presentes en el circuito.
Si por el contrario, al circuito de la figura 1.1 le aplicamos las condiciones para obtener el
circuito equivalente de alterna, es decir, suponemos que los condensadores se comportan
como cortocircuitos e, igualmente, cortocircuitamos las fuentes de tensión de continua, el
circuito que obtendríamos es el mostrado en la figura 1.4.
Diseño con Transistores Página 26
En este capítulo abordaremos el estudio y la resolución de este circuito abordando un
modelo para el transistor que nos permita el cálculo de las tensiones y corrientes en el
circuito.
1.1.3. Nomenclatura.
Al aplicar el principio de superposición, es conveniente ser cuidadoso con la nomenclatura
de las distintas variables eléctricas para no confundir ni mezclar las variables de alterna
con las de continua. En la figura 1.5 se muestra la nomenclatura que vamos a seguir
iB=Valor instantáneototal .
ib=Componente alterna .
I B=Valor instantáneototalComponente continua .
Antes de pasar al estudio propiamente dicho del circuito de alterna vamos a definir un par
de conceptos muy importantes a la hora de analizar el funcionamiento de un circuito
amplificador con un BJT, estamos hablando de las rectas de carga estática y dinámica.
Diseño con Transistores Página 27
1.1.4- Recta de Carga Estática.
La Recta de Carga Estática representa la sucesión de los infinitos puntos de
funcionamiento que puede tener el transistor. Su ecuación se obtiene al analizar la malla de
salida del circuito equivalente en continua.
La Recta de Carga Estática está formada por los pares de valores (VCE, IC) que podría tener
el transistor con esa malla de salida. Para obtener su ecuación matemática
f (VCE,IC)= 0, planteamos las tensiones en la malla de salida del circuito equivalente en
DC.
Si tenemos en cuenta que:
Nos queda:
si suponemos que β≫1
Obtendríamos la ecuación que relaciona la VCE y la IC del transistor, dicha ecuación
representa una recta en el plano de las características de salida, y se conoce con Recta de
Carga Estática
Diseño con Transistores Página 28
Como ya se ha mencionado anteriormente, esta recta representa todos los posibles puntos
de funcionamiento que podrá tener el transistor con esa malla de salida. El punto de
funcionamiento Q se fijará mediante el circuito de polarización de entrada fijando la IB
correspondiente.
1.1.5.- Recta de Carga Dinámica.
La Recta de Carga Dinámica se obtiene al analizar la malla de salida del circuito
equivalente de AC. Está formada por la sucesión de los pares de valores (vCE, iC). Notar
que a diferencia del caso anterior, en este caso nos referimos a los valores totales (alterna
más continua) tanto de tensión como de corriente. Para obtener la ecuación matemática de
esta recta f (V CE , iC )=0, analizamos la malla de salida del circuito equivalente en alterna
Diseño con Transistores Página 29
Si tenemos en cuenta que la componente incremental (o de alterna) de una señal se puede
obtener restando el valor de continua al valor total.
Haciendo este cambio de variable en la expresión anterior obtenemos la ecuación de la
Recta de Carga Dinámica
Tenemos la ecuación de una recta que pasa por el punto de funcionamiento (punto Q) y
cuya pendiente es el inverso del paralelo de RC y RL.
Diseño con Transistores Página 30
La Recta de Carga Dinámica siempre tiene más pendiente que la Recta de Carga Estática.
Únicamente en el caso de un circuito en el que RE=0 y la salida esté en circuito abierto
(RL=∞) ambas rectas coincidirán.
La Recta de Carga Dinámica representa los pares de valores iC y vCE en cada instante como
se puede ver gráficamente en la figura 1.8.
Diseño con Transistores Página 31
1.2. Análisis con JFET.
Los transistores de efecto de campo (Field Effect Transistor, FET) se clasifican en los
siguientes dos grupos:
Diseño con Transistores Página 32
El símbolo de cada uno de ellos se muestra a continuación en la figura 1.10.
1.2.1- Estructura y características del JFET.
Los JFETs o Transistores de efecto de campo de unión son dispositivos de tres terminales
de baja potencia. La conducción de corriente la llevan a cabo a través de un solo tipo de
portador por lo cual se le reconoce como transistores unipolares. Sus terminales reciben los
siguientes nombres y se clasifican como lo muestra la figura.
El Principio de funcionamiento de los Transistores de efecto de campo (Field Effect
Transistor) FETS se sustenta en controlar la cantidad de portadores de carga de una región
de semiconductor denominada canal por medio de un campo eléctrico que se produce al
Diseño con Transistores Página 33
aplicar un voltaje entre la terminal denominada compuerta (Gate) y la terminal
denominada fuente (Source).
Los Transistores de efecto de campo de unión (JFET) se clasifican en:
1.- JFETS canal N, en los cuales su canal se fabrica con material tipo N y la compuerta es
de material tipo P
2.- JFET canal N en los que su canal es de material P y la compuerta de material N.
En la Figura 1.11. Se muestra la estructura de los dos tipos de JFET que existen:
En lo general las principales características de los FETs son:
1.- Alta impedancia de entrada.
2.- Se logran altas escalas de integración en circuitos integrados.
Diseño con Transistores Página 34
3.- Se pueden utilizar como memorias digitales al almacenar en su capacitancia
información en forma de voltaje.
4.- Se pueden utilizar como resistores controlados por voltaje en la región óhmica de
trabajo.
5.- Su condición de trabajo depende menos de la temperatura que la del BJT.
6.- Presentan la capacidad de manejar grandes corrientes.
7.- Pueden conmutar a altas velocidades.
8.- Son sensibles a la estática.
9.- No se pueden implementar amplificadores de voltaje con una ganancia significativa.
1.2.2- Análisis de la polarización del JFET.
Existen diversas formas de polarización para el FET, dos de las que más se emplean son:
1.- La Auto polarización
2.- La polarización por divisor de voltaje
Ambas formas de polarización se obtienen al resolver simultáneamente la ecuación del
circuito compuerta-fuente con la ecuación de Shockley que rige al JFET y a los MOSFET
decrementales.
En el circuito de la figura se muestra una auto polarización, en ella se puede observar que
con el simple hecho de conectar un resistor entre compuerta y tierra, el potencial de la
compuerta adquiere la tensión de 0 Volts, de tal forma que al circular una corriente ID a
través de la resistencia RS obligara a que la tensión existente entre compuerta y fuente sea
Diseño con Transistores Página 35
de signo negativo esto es VGS < 0 Volts con lo cual se estará en condiciones de empobrecer
el canal como lo requiere la polarización de los JFET. Además dicha resistencia R GG
facilita el acoplamiento de impedancia entre la fuente de señal y la entrada de circuito con
JFET.
Auto polarización
El desarrollo analítico de lo anteriormente mencionado se detalla en los siguientes
párrafos:
La cual representa una recta cuya pendiente es el negativo del reciproco del Resistor de
fuente RS . La intersección de esta recta con la curva de transconductancia que representa
la ecuación de Shockley
Diseño con Transistores Página 36
Determina el punto de operación estático en que trabaja el JFET como lo muestra la Figura
1.13.
Diseño con Transistores Página 37
Diseño con Transistores Página 38
Obteniendo el circuito equivalente de Thevenin en la compuerta del JFET se tiene
Aplicando la Ley de Voltajes de Kirchoff al circuito compuerta fuente de la figura 1.15.
La cual al igualarse con la ecuación de Shockley proporciona dos valores de VGS
debiéndose utilizar aquel que cumpla con ½ VGS ½ < ½ VGSOFF ½ puesto que la parábola
que representa la curva de transconductancia del JFET abre hacia los dos lados del vértice
VGSOFF siendo la primer rama la que resuelve el funcionamiento del dispositivo.
Diseño con Transistores Página 39
En cualquiera de las dos técnicas de polarización mencionadas el mejor compromiso entre
la estabilidad del punto de operación y la obtención de un adecuado valor de
transconductancia se encuentra cuando se cumple que el valor de la IDQ = IDSS/2 , lo cual
implica que VGSQ = -0.3 VDSS y gm = 1.414VDSS/IDSS embargo al establecer una
comparación entre la estabilidad del punto Q entre una auto polarización fija y una por
divisor de tensión polarización se puede observar en la figura siguiente que la polarización
por divisor de voltaje ofrece un menor margen de variación en el valor de la IDQ debido a
que la recta de carga al cruzar por el punto Q lo puede hacer con una menor pendiente de
manera aun cuando el JFET pueda presentar un amplio margen de variabilidad en sus
características como lo representan las dos curvas de transconductancia mostradas el
margen de error es menor para la polarización por divisor de tensión que para la auto
polarización.
Diseño con Transistores Página 40
Diseño con Transistores Página 41
Figura Margen de error de estabilidad de IDQ para la polarización por divisor de voltaje y la
auto polarización.
1.2.3.-Ejemplos de Polarización del JFET
Ejemplo 1.- (Análisis) Determine el punto de operación para una auto polarización fija en
la que se presentan las siguientes condiciones:
Diseño con Transistores Página 42
Solución:
Al igualar la ecuación del circuito compuerta fuente con la ecuación de Shockley resulta
Evidentemente que el valor indicado corresponde a VGS1 = - 1.29V el cual al sustituirlo en
Siendo el valor de la transconductancia gm en este punto de operación
Finalmente el valor de VDSQ viene dado por
Ejemplo 2.- (Diseño) Calcule para una auto polarización fija, el valor de RS y RD de
manera que IDQ = 2mA y VDSQ = 5V si se sabe que IDSS = 3.5mA , VDSS = 2.5V y VDD = 9V
Diseño con Transistores Página 43
Solución.- Se procede utilizando la ecuación de Shockley para despejar de ella VGSQ
Ejemplo 1.- (Análisis) Determine el punto de operación para una auto polarización por
divisor de tensión en la que se presentan las siguientes condiciones:
Se procede calculando el circuito equivalente de Thevenin en la compuerta
Al igualar la ecuación del circuito compuerta fuente con la ecuación de Shockley resulta
Diseño con Transistores Página 44
El valor correcto corresponde a VGS1 = - 0.234V el cual al sustituirlo en
Siendo el valor de la transconductancia gm en este punto de operación
Finalmente el valor de VDSQ viene dado por
1.2.4-Modelo de señal del JFET.
Por medio del modelo eléctrico de funcionamiento del JFET es posible determinar las
características de impedancia de entrada, impedancia de salida y ganancias de voltaje y
corriente de circuitos con JFET. En dicho modelo se considera que la impedancia de
entrada que existe entre compuerta y fuente es infinita y que el voltaje existente entre
dichas terminales al multiplicarse por la ganancia de transconductancia del JFET controla
el valor de una fuente de corriente dependiente del voltaje antes mencionado. En la figura
1.19. Se muestra dicho modelo
Diseño con Transistores Página 45
En este modelo el valor de la ganancia de transconductancia corresponde al grado de
pendiente que presenta la curva de la ecuación de Shockley de acuerdo al punto de
operación estático que la polarización haya provocado. La obtención de esta ganancia se
lleva cabo a continuación
1.2.5-Amplificador en fuente común.
Diseño con Transistores Página 46
La Ganancia de voltaje, de corriente y al impedancia de entrada de un amplificador en
fuente común como el mostrado en la figura se obtiene para la banda de paso al suponer
que los capacitores se comportan como corto circuito a estas frecuencias y haciendo cero la
fuente de corriente directa, luego se sustituye el modelo de pequeña señal del JFET y se
analiza el circuito hasta obtener dichas expresiones.
Diseño con Transistores Página 47
De acuerdo al circuito de pequeña señal se tiene
Por lo cual
1.3. Análisis de circuitos mixtos (BJT y JFET).
1.3.1. Tipos de acoplamiento
El acoplamiento establece la forma en la cual se conectan las distintas etapas
amplificadores, dependiendo de la naturaleza de la aplicación y las características de
respuesta que se desean. Existen distintos tipos de acoplamiento: Acoplamiento directo,
capacitivo y por transformador.
Diseño con Transistores Página 48
1.3.2- Acoplamiento directo
Las etapas se conectan en forma directa, es permite una amplificación tanto de la
componente de señal como de la componente continua del circuito. Se dice que los
circuitos de cc se acoplan directamente. La Fig.1.23. Muestra una aplicación de
acoplamiento directo.
En corriente continua se tiene
Así
Diseño con Transistores Página 49
Dado que la malla de entrada será
Entonces
De esta forma se determinan VCEQ1 y VCEQ2. Note que al hacer análisis en cc, los
efectos de la polarización de una etapa afectan a la otra.
Por otro lado, realizando el análisis en ca se tiene
De esta forma despejando ib2 de (7) y reemplazando en
(6)
El efecto de los elementos de la primera y segunda etapa está presentes en la ganancia del
sistema.
1.3.3- Acoplamiento capacitivo.
El acoplamiento capacitivo o por condensador se usa para interconectar distintas etapas, en
las cuales sólo se desea amplificar señal. La presencia del capacitor anula las
Diseño con Transistores Página 50
Componentes de cc, permitiendo sólo la amplificación de señales en ca. Los aplicadores de
ca usan acoplamiento capacitivo. Permite mayor libertad en el diseño, pues la polarización
de una etapa no afectará a la otra.
Extendiendo el sistema de la Fig. 3 a n-etapas, considerando la relación de ganancia de
cada una de ellas se dice que tiene que la ganancia del sistema será:
Considere amplificador emisor común (sin CE), de dos etapas de la Fig. 1.25. Donde
R1 = 3 [KΩ], R2 = 1 [K Ω], RE = 820 Ω, RC = 2 [K Ω] ; VCC = 10 [V ] : Por otro lado,
hfe = 100, hie pequeño.
Diseño con Transistores Página 51
Note que en cc ambas etapas quedan separadas, formarán un circuito de polarización
universal, de esta forma el punto de operación para cada etapa será:
En ca alterna analizando cada etapa por separado se tiene, para la etapa 1 se determina la
ganancia de voltaje. Planteando las ecuaciones en el circuito de la Fig. 1.25.
Conclusiones:
Los circuitos multietapa son sistemas construidos a partir de varios transistores, estos
pueden estar acoplados entre sí, ya sea en forma directa o a través de un capacitor.
Cuando las etapas son acopladas por capacitor se habla de circuitos de ca, si son acopladas
en forma directa se habla de circuitos en cc y ca. Las configuraciones multietapa
clásicas, el par Darlington, el amplificador diferencial y el casco de, presentan
características propias, alta impedancia de entrada e incremento de la corriente, alto
RRMC y alta impedancia de salida respectivamente, las cuales pueden ser mejoradas
combinando dichos circuitos con otros elementos, ya sea para su polarización (fuentes de
corriente activas) o como carga. La tecnología BiCMOS aprovecha lo mejor de ambas
familias de transistores, de tal forma de incrementar las prestaciones, en Rin, Av y Rout.
Diseño con Transistores Página 52
Unidad 2: Arreglos Especiales
2.1 Conexiones Darlington: Es también llamado amplificador compuesto, es una
conexión muy popular de dos transistores de unión bipolar para funcionar como un solo
transistor. La principal característica de esta conexión, es que el transistor compuesto actúa
como una sola unidad, con una ganancia de corriente que es el producto de las ganancias
de corriente de los dos transistores por separado.
En la figura 2.1 se puede observar el diagrama físico de esta conexión:
Diseño con Transistores Página 53
B
C
βt= β1xβ2
Figura 2.1 Conexión Darlington NPN
2.1.1 Características:
1. Alta ganancia de corriente (βt).
2. Alta impedancia de entrada (Zin).
3. Al estar integrados en el mismo encapsulado requieren menos espacio que los otros
diseños en la misma configuración.
2.1.2 Desventajas:
1. La tensión de base-emisor ahora es el doble de un solo transistor, es decir, para un
transistor de silicio, su voltaje de base emisor es de 0.7v, para el Darlington es el
doble de ese voltaje, en otras palabras, VBE= 2*0.7v= 1.4v.
2. Otro problema es la reducción de la velocidad de conmutación, ya que el primer
transistor no puede inhibir activamente la corriente de base de la segunda etapa,
haciendo al dispositivo lento para apagarse.
2.1.3 Darlington Complementario: Se comporta como un solo transistor PNP, con
una ganancia de corriente igual a β1*β2. Fue desarrollado originalmente porque los
transistores de alta potencia complementaria no estaban disponibles. El transistor
complementario a menudo es usado en una etapa especial conocida como etapa de salida
cuasi-complementaria.
Diseño con Transistores Página 54
E
En la figura 2.2 se puede observar el diagrama de la conexión de Darlington
complementario.
Figura 2.2 Darlington Complementario
2.1.4 Configuración Darlington en Colector Común: Este es la configuración
mejor aprovechada de este tipo de conexión debido a su gran ganancia de corriente,
recordemos que la configuración de colector común o también llamado seguidor emisor,
solo amplifica corriente no voltaje. En la figura 2.3 se observa el diagrama de conexión
Darlington en colector común.
Diseño con Transistores Página 55
Figura 2.3 Configuración Darlington Colector Común
2.1.4.1 Fórmulas para la polarización del circuito:
(2.1) (2.6)
(2.2) (2.7)
(2.3) (2.8)
(2.4)
(2.5)
2.2 Amplificador Diferencial: El amplificador diferencial (AD), es un circuito
pensado para amplificar la diferencia de dos señales. Es posible construir circuitos
amplificadores diferenciales con cualquier dispositivo semiconductor que pueda funcionar
como amplificador. Puede implementarse con transistores bipolares o transistores de efecto
Diseño con Transistores Página 56
de campo. En ambos casos se trata de acoplar dos dispositivos idénticos en su
configuración amplificadora (emisor o fuente común), por el terminal común (emisor o
fuente), correspondiente a la configuración.
En la figura 2.4 se muestra el diagrama en bloque de un amplificador diferencial.
Figura 2.4 Diagrama en bloque de un Amplificador Diferencial
2.2.1 Configuración Básica: En la figura 2.5 se puede observar el diagrama de la
configuración básica del amplificador deferencial.
Figura 2.5 Configuración Básica de Amplificador Diferencial
Para calcular el voltaje de salida se puede calcular de la siguiente manera:
………….. (2.9)
Diseño con Transistores Página 57
Donde:
Av: Ganancia de Voltaje
V1: Voltaje de entrada 1
V2: Voltaje de entrada 2
2.2.2 Análisis en Corriente Directa (C.D): El análisis en CD es indispensable para la
polarización de los transistores. En la Figura 2.6 se observa el análisis para CD de la malla
1 del amplificador diferencial:
…………(2.10)
Despejando IT:
…………(2.11)
…………….. (2.12)
Figura 2.6 Malla 1 del amplificador Diferencial
Diseño con Transistores Página 58
En el caso de la figura 2.5, se puede observar que contiene una resistencia de base RB, solo se tiene que incluir en el análisis de CD de la siguiente manera:
…………… (2.13) Pero:
Y: entonces: ……………….. (2.14)Lo ideal es que el voltaje entre colectores de los transistores debería ser cero (0), pero
debido a que los componentes introducen un margen de error ya que es muy difícil hacer
coincidir las características de ambos transistores, es de esperar que el voltaje entre
colectores para CD pueda variar entre 0V y 1.1V; arriba de este valor ya se considera una
mal configuración.
2.2.3 Causas por las que el Voltaje de salida entre colectores no sea cero (0)
1. ; esta corriente es del orden de nano amperes
(nA), y provocan un voltaje de error:
…………… (2.15)
2. Corriente de Offset de entrada: Se define como la diferencia de las corrientes
continúas de base.
……………… (2.16)
Igualmente estas corrientes generan un voltaje de error:
…………. (2.17)
Diseño con Transistores Página 59
3. Tensión de Offset de Entrada: Se define como la tensión de entrada que
producirá la misma tensión de error de salida en un amplificador diferencial.
………….. (2.18)
2.2.4 Análisis en Corriente Alterna (C.A): En la figura 2.7 se muestra el circuito
equivalente para corriente alterna.
Figura 2.7 Circuito Equivalente para C.A
Para calcular la ganancia de voltaje quedaría de la siguiente manera:
Diseño con Transistores Página 60
…………... (2.19)
2.2.5 Ganancia en Modo Común (Av(MC)): Si se aplican tensiones iguales a las
entradas, la tensión de salida sería igual a cero. Nadie emplearía deliberadamente un
amplificador diferencial de esta manera. La razón de hablar de este tipo de entrada es
porque las tensiones estáticas, las interferencias y otra clase de señales no deseables, son
señales en modo común, es decir, en las bases se presentan señales iguales que no son
deseables.
……………. (2.20)
2.2.6 Ganancia en Modo Diferencial (Av(MD)): Ya que lo ideal es colocar señales
diferentes que permitan generar una diferencia entre las dos y así amplificar dicha señal de
resultado, se habla de la ganancia en modo diferencial.
…………… (2.21)
2.2.7 Características del Amplificador Diferencial:
1. No requiere el uso de capacitores de de entrada y salida
2. Amplifica prácticamente desde frecuencia cero
3. Es inmune al ruido, es decir, atenúa las señales de ruido presentes en la base.
Diseño con Transistores Página 61
………….. (2.22)
2.3 Amplificador Diferencial Espejo de Corriente: Es una modificación del
amplificador diferencial básico, con la pequeña variación de que se agrega un diodo de
compensación, el cual, ayuda a anular los efectos de temperatura que disminuyen el voltaje
en el transistor. En la figura 2.8 se muestra la conexión básica del espejo de corriente.
Figura 2.8 Configuración Básica del Espejo de Corriente
Diseño con Transistores Página 62
El nombre de amplificador espejo de corriente se debe a que la corriente de la resistencia R
(IR), es igual a la corriente de emisor (IE).
…………….. (2.23)
NOTA: Antes de mostrar la configuración de un amplificador diferencial espejo de
corriente, es necesario hablar primero de otra configuración que lleva por nombre
amplificador diferencial con fuente de corriente.
2.4 Amplificador Diferencial con Fuente de Corriente: Al igual que el
amplificador espejo de corriente, este amplificador es una modificación al amplificador
diferencial básico, cuyo único propósito es el de mejorar el diseño del amplificador para
hacerlo más efectivo.
Este diseño presenta un cambio en la forma de obtener la corriente IT, en donde a
diferencia del circuito original, como ya se estudio en el punto 2.2, utiliza una resistencia
RE común para ambos transistores por la cual circula una corriente IT, mientras que el
amplificador fuente de corriente aprovecha la utilidad de un transistor NPN como fuente de
corriente.
En la figura 2.9 se puede observar un amplificador espejo de corriente con la modificación
de fuente de corriente.
Diseño con Transistores Página 63
Figura 2.9 Amplificador Espejo de Corriente con Fuente de Corriente
2.4.1 Ventajas: La idea de colocar un transistor como fuente de corriente es obtener una
alta impedancia de entrada (Zin), y a su vez evitar el ruido.
2.4.2 Desventaja de esta configuración: Un gran problema que presenta esta
configuración es la dificultad para encontrar en el mercado los diodos de compensación o
también llamados diodos de baja señal, ya que son estos tipos de diodos los que permiten
un funcionamiento optimo de la configuración al asemejarse a los diodos internos de los
transistores. Una forma de disminuir este problema es colocando un transistor en forma de
diodo, como se muestra en la figura 2.10.
Diseño con Transistores Página 64
Figura 2.10 Diodo de Compensación a partir de un Transistor NPN.
2.5 Carga Activa: Al igual que las configuraciones vistas en el punto 2.3 y 2.4, la
carga activa es una modificación mas para los amplificadores deferenciales, con el único
fin de mejorar su funcionamiento. La carga activa se refiere a una carga manejada por el
transistor. En la figura 2.11 se observa el diagrama de un amplificador diferencial con
carga activa.
Diseño con Transistores Página 65
Q6
Figura 2.11 Diagrama de un Amplificador Diferencial con Carga Activa
Dado que Q6 es un transistor PNP que se comporta como una fuente de corriente, Q2 ve
una resistencia RC aproximada que tiene un valor de cientos de mega ohms (MΩ). En
consecuencia, la ganancia de tensión es mucho mayor con una carga activa que con una
resistencia normal. Cargas activas de este estilo son usadas en la mayoría de los
amplificadores operacionales encapsulados de la actualidad.
2.6 Amplificador Sintonizado: Se trata de un amplificador Clase C. Es un
amplificador que trabaja dentro de una banda estrecha son una frecuencia central llamada
fr, y el ancho de banda esta dado por las que se denominan frecuencias cuadrantales del
amplificador sintonizado (fl y fh). Estas frecuencias de corte superior e inferior están dadas
por los valores de fr para los cuales la ganancia cae 3dB, o la tensión cae 70.7% de su valor
máximo.
Diseño con Transistores Página 66
Estos amplificadores se proyectan para rechazar todas las señales cuyas frecuencias se
encuentran por debajo y por encima de la banda de operación. En la figura 2.12 se muestra
el diagrama de un amplificador sintonizado.
Figura 2.12 Diagrama de un Amplificador Sintonizado
2.6.1 Circuito Equivalente para C.D: En la figura 2.13 se puede observar el circuito
equivalente para corriente directa. Obsérvese que en CD el capacitor se comporta como un
circuito abierto, mientras que la bobina se comporta como un cortocircuito de resistencia
(RS) baja.
Diseño con Transistores Página 67
Figura 2.13 Circuito Equivalente para C.D.
2.6.1.1 Recta de Carga para C.D:Calculando el circuito por Ley de Voltajes de Kirchhoff:
…………….. (2.24)Pero debido a que la RS es muy pequeña la ecuación quedaría solo VCC=VCE
Ahora si de la formula (2.24), despejamos la corriente IC:
………….. (2.25)Como la resistencia es muy baja, se genera un corriente que tiende a infinito. En la grafica 2.1 se puede observar como quedaría la recta de carga para C.D:
Gráfica 2.1 Recta de Carga para CD
Diseño con Transistores Página 68
2.6.2 Circuito Equivalente para Corriente Alterna (C.A): En la figura 2.15 se muestra el circuito equivalente para C.A:
Figura 2.15 Circuito Equivalente de C.A.
2.6.2.1 Recta de Carga para C.A: Punto Q del transistor: Para calcular la IC(Saturación) el VCE=0V:
…………. (2.26)El VCE=VCC. Por lo tanto la recta de carga para C.A quedaría de la forma en la que muestra la grafica 2.2:
Grafica 2.2 Recta de Carga para C.A
Diseño con Transistores Página 69
2.6.3 Frecuencia de Resonancia (Fr): Se denomina frecuencia de resonancia a aquella
frecuencia característica de un cuerpo o un sistema que alcanza el grado máximo de
oscilación. Cuando un cuerpo es excitado a una de sus frecuencias características, su
vibración es la máxima posible, es se debe a que el sistema entra en resonancia.
Para el amplificador sintonizado de la figura 2.12, la fórmula para calcular la frecuencia de
resonancia es:
………….. (2.27)
En la grafica 2.3, muestra la frecuencia de resonancia, acompañado por el ancho de banda
dado por las frecuencias de baja y de alta (fl y fh).
Grafica 2.3 Frecuencia de Resonancia.
En la base de amplificador sintonizado de la figura 2.12, se observa la señal que muestra la
grafica 2.4:
Diseño con Transistores Página 70<180
Grafica 2.4 Señal de Entrada en la Base del Amplificador Sintonizado
Una forma o impulso es rico en armónicos múltiplos de la frecuencia de entrada. En otras
palabras, los impulsos son equivalentes a un grupo de ondas SENO con frecuencias f, 2f,
3f,……nf.
El circuito tanque resonante solo presenta una alta impedancia (Z), a la frecuencia
fundamental f, lo que produce una ganancia de tensión grande a esta frecuencia. Por el
contrario, el circuito tanque presenta una impedancia (Z) baja, para los armónicos de orden
superior produciendo una ganancia de tensión muy pequeña.
2.6.4 Factor de Calidad (Q): También denominado factor de selectividad, es un
parámetro que mide la relación entre la energía reactiva que almacena y la energía que
disipa durante un ciclo completo de la señal. Es un parámetro importante para los
osciladores, filtros y otros circuitos sintonizados, pues proporciona una medida de lo aguda
que es su resonancia.
……………. (2.28)
.............. (2.29)
2.6.5 Ancho de Banda (Bw): Es la longitud, medida en hertz (Hz), del rango de
frecuencias en el que se concentra la mayor parte de la potencia de la señal.
…………… (2.30)
Diseño con Transistores Página 71
…………….. (2.31)
El amplificador sintonizado completo tiene un factor de calidad (Q), menor al factor de
calidad de la bobina (QL), ya que incluye el efecto de la resistencia de carga (RL), así como
la resistencia de la bobina (RS).
En la figura 2.16 se muestra el circuito equivalente de CA, del circuito tanque en conjunto
con el transistor y la resistencia de carga.
Figura 2.16 Circuito Equivalente de C.A.
………….. (2.32)Para calcular el factor de calidad para una bobina (QL):
.................. (2.33)La reactancia inductiva (XL), se calcula de la siguiente manera:
................... (2.34)
Diseño con Transistores Página 72
Los amplificadores clase C, tienen un factor de calidad Q<10, esto significa que el ancho
de banda es menor que el 10% de la frecuencia de resonancia. En consecuencia, los
amplificadores clase C son amplificadores de banda estrecha.
La salida de un amplificador clase C, es una tensión senoidal grande a la frecuencia de
resonancia, con un decrecimiento rápido en las frecuencias por encima y por debajo de
dicha frecuencia de resonancia.
Unidad 3 Respuesta a la frecuencia
3.1. Respuesta en alta y baja frecuencia del amplificador BJT
3.1.1. Respuesta en Frecuencia de un Amplificador
La respuesta en frecuencia de un amplificador es una representación de su ganancia en
función de la frecuencia.
Figura 3.1
3.1.2. Respuesta de un amplificador de alterna
Diseño con Transistores Página 73
La Figura representa la respuesta en
frecuencia de un amplificador de alterna. En
la región de frecuencias medias la ganancia
de tensión es mínima. En este margen es
donde suele funcionar un amplificador. En
bajas frecuencias, la tensión de salida
disminuye debido a que los condensadores de
acoplo y de desacoplo ya no funcionan como cortocircuitos. En lugar de ello, sus
reactancias capacitivas son suficientemente grandes como para hacer caer parte de la
tensión de la señal alterna. El resultado es una pérdida de ganancia de tensión a medida que
se aproxima a cero hercios (0 Hz).
En altas frecuencias la ganancia de tensión decrece por dos razones en especial:
1.- Un transistor tiene capacidades internas en sus uniones, como se
representa en esta figura. Estas capacidades proporcionan caminos
cortocircuitados para la señal alterna. A medida que la frecuencia
aumenta, las reactancias capacitivas decrecen lo suficiente como para
entorpecer el funcionamiento normal del transistor. El resultado es
una pérdida de ganancia de tensión.
2.- Las capacidades parasitas de las
conexiones es otra razón para la pérdida de
ganancia de tensión a altas frecuencias. En
esta figura se ilustra que cualquier cable de
conexión en un circuito de transistor actúa
Diseño con Transistores Página 74
Figura 3.2.
como una placa de condensador, y el chasis actúa como la otra placa. Las capacidades
parasitas de las conexiones son capacidades no deseadas que forman caminos de
derivación para la señal de alta frecuencia y le impiden alcanzar la resistencia de carga.
Esto es equivalente a decir que la ganancia de tensión decrece.
3.1.2.1. Frecuencias de corte
Las frecuencias a las que la ganancia de tensión es igual a 0,707 de su valor máximo se
denominan frecuencias de corte.
En la Figura, es la f1 frecuencia de corte
inferior y f2, es la frecuencia de corte superior.
Las frecuencias de corte también se denominan frecuencias de mitad de potencia porque la
potencia en la carga a esas frecuencias es la mitad de su valor máximo.
Cuando la ganancia de tensión es 0,707 de su valor máximo, la tensión de salida es 0,707
del valor máximo. Recuérdese que la potencia es igual al cuadrado de la tensión dividida
por la resistencia. Cuando se eleva a1 cuadrado 0,707 se obtiene 0,5. Esta es la razón por la
que la potencia de carga a las frecuencias de corte es la mitad de su máximo valor.
3.1.2.2. Banda media
Se definirán frecuencias medias de un amplificador como el margen de frecuencias entre
10f1, y 0, lf1. En las frecuencias medias la ganancia de tensión del amplificador es
aproximadamente máxima y se denomina Amed. Tres características importantes de
Diseño con Transistores Página 75
cualquier amplificador de alterna son su Amed, f1 y f2. Dados estos valores, se puede saber
cuánta ganancia de tensión hay en las frecuencias medias y dónde se reduce a 0,707 Amed.
3.1.2.3. Fuera de las frecuencias medias
Aunque un amplificador funciona normalmente en las frecuencias medias, hay veces en las
que se desea saber la ganancia de tensión fuera de esta banda. Esta es una aproximación
para calcular la ganancia de tensión de un amplificador:
(3.1)
Dados Amed, f1, y f2, se desea calcular la ganancia de tensión a cualquier frecuencia f. Esta
ecuación supone que un condensador dominante está produciendo la frecuencia de corte
inferior y otro produce la frecuencia de corte superior. Un condensador dominante es aquel
que es más importante que los otros para determinar la frecuencia de corte. Sólo hay que
analizar tres zonas de frecuencia: las frecuencias medias, las frecuencias inferiores y las
frecuencias superiores.
En las frecuencias medias, f1/f ≈ 0 y f/f2 ≈ 0. Por tanto, ambos radicales en la Ecuación
anterior son aproximadamente igual a 1, y la Ecuación se simplifica a:
Banda media: A = Amed
Por debajo de las frecuencias medias f/f2 ≈ 0. Como resultado, el segundo radical es igual a
1 y queda de la siguiente forma:
Por debajo de las frecuencias medias:
Diseño con Transistores Página 76
(3.2)
Por encima de las frecuencias medias f1/f ≈ 0. Por consiguiente, el primer radical es igual a
1 y se simplifica como sigue:
Por encima de las frecuencias medias:
(3.3)
3.1.3. Respuesta de un amplificador de continua
Un diseñador puede usar acoplamiento directo entre las etapas de un amplificador. Esto
permite al circuito amplificar todas las frecuencias hacia la frecuencia de cero hercios (0
Hz). Este tipo de amplificadores se denomina amplificador de continua.
Diseño con Transistores Página 77
La Figura representa la respuesta en frecuencia de un amplificador de continua. Como no
hay frecuencia de corte inferior, las dos características importantes de un amplificador de
continua son Amed y f2. A partir de estos valores indicados en una hoja de características,
tenemos la ganancia de tensión del amplificador en las frecuencias medias y su frecuencia
de corte superior.
La mayor parte de los amplificadores de continua se diseñan con una capacidad dominante
que proporciona la frecuencia de corte superior. Por esto, se puede utilizar la siguiente
fórmula para calcular la ganancia de tensión de los amplificadores de continua típicos:
Formula:
(3.4)
Ejemplo:
3.1.4. Ganancia de tensión en decibelios
La ganancia de tensión es la tensión de salida dividida por la tensión de entrada:
(3.5)
La ganancia de tensión en decibelios se define como:
Diseño con Transistores Página 78
(3.6)
Si un amplificador tiene una ganancia de tensión de 100.000, obtiene, una ganancia de
tensión en decibelios de:
Etapas en Cascada
En la figura se muestra dos etapas de
ganancia de tensión, la ganancia de tensión
total del amplificador de dos etapas es
idealmente el producto de las ganancias
individuales de tensión: A=A1 A2 (3.7)
Al calcular la ganancia de tensión en decibelios en lugar de la ganancia de tensión en las
unidades habituales se aplica la siguiente formula:
(3.8)
Ejemplos:
¿Cuál es la ganancia total de tensión de la figura en decibelios?
Diseño con Transistores Página 79
A1db=20 log100=40db
A2db=20 log200=46db
Adb=¿ 40db+46db ¿
A=(100 ) (200 )=20000
Adb=20 log 20000=86db
Diseño con Transistores Página 80
3.1.5. Diagrama de Bode
Un Diagrama de Bode es una
representación gráfica que sirve
para caracterizar la respuesta
en frecuencia de un sistema.
Normalmente consta de dos
gráficas separadas, una que
corresponde con la magnitud de
dicha función y otra que
corresponde con la fase. 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 (o la frecuencia angular) en escala
logarítmica. Se suele emplear en procesado de señal para mostrar la respuesta en
frecuencia de un sistema lineal e invariante en el tiempo.
El diagrama de fase de Bode representa la fase de la función de transferencia en función de
la frecuencia (o frecuencia angular) 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.
La respuesta en amplitud y en fase de los diagramas de Bode no pueden por lo general
cambiarse de forma independiente: cambiar la ganancia implica cambiar también desfase y
viceversa. En sistemas de fase mínima (aquellos que tanto su sistema inverso como ellos
mismos son causales y estables) se puede obtener uno a partir del otro mediante
la transformada de Hilbert.
Diseño con Transistores Página 81
Si la función de transferencia es una función racional, entonces el diagrama de Bode se
puede aproximar con segmentos rectilíneos. Estas representaciones asintóticas son útiles
porque se pueden dibujar a mano siguiendo una serie de sencillas reglas (y en algunos
casos se pueden predecir incluso sin dibujar la gráfica).
3.1.5.1. Octavas
En la música las octavas significan duplicar la frecuencia, en la electrónica significa en
cocientes como f 1/ f y f 2/ f . Por ejemplo, si f 1= 100 Hz y f = 50 Hz, el cociente f 1/ f es:
f 1
f=100 Hz
50 Hz=2
Se puede describir esta relación diciendo que esta una octava por debajo de f 1.
Otro ejemplo, suponga que f = 400 kHz y f 2 = 200 kHz. Entonces:
f 2
f=400 KHz
200 KHz=2
Lo que indica que f esta una octava por encima de f 2.
3.1.5.2. Décadas
Una década tiene un significado similar en cocientes como f 1/ f y f 2/ f , excepto que se
utiliza un factor de 10 en lugar de 2. Por ejemplo, si f 1 = 500 Hz y f = 50 Hz
f 1
f=500 Hz
50 Hz=10
Se puede describir esta relación diciendo que f esta una década por debajo de f 1.
Otro ejemplo, suponga que f 2 = 2 MHz y f = 200 kHz. Entonces:
Diseño con Transistores Página 82
f 2
f= 2 M Hz
200 KHz=10
Este resultado significa que f está una década por encima de f .
3.1.5.3. Circuito RC de desacoplo
Este circuito se denomina a menudo red de retardo de fase porque a altas frecuencias la tensión de salida va por detrás de la tensión de entrada. Dicho de otra forma: si la tensión de entrada tiene un ángulo de fase de 0°, la tensión de salida tiene un ángulo de fase comprendido entre 0º y -90º.
A bajas frecuencias, la reactancia capacitiva se aproxima a infinito, y la tensión de salida se hace igual a la tensi6n de entrada. A medida que crece la frecuencia, la reactancia capacitiva decrece, lo cual hace disminuir la tensión de salida. Recuérdese de cursos básicos de electricidad la tensión de salida para este circuito es:
V out=XC
√ R2+XC2
V ¿(3.9)
Si reordenamos la ecuación anterior, la ganancia de tensión del circuito RC de desacoplo viene dado por la expresión:
A=XC
√R2+XC2(3.10)
Como el circuito tiene solo dispositivos pasivos, la ganancia de tensión es siempre menor o igual a 1.
La frecuencia de corte de una red de retardo de fase se produce donde la ganancia de tensión es 0,707. La ecuación para la frecuencia de corte es:
f 2=1
2πRC(3.11)
Diseño con Transistores Página 83
A esta frecuencia, Xc = R y la ganancia de tensi6n vale 0,707.
3.1.5.4. Condensador de acoplo a la entrada
Cuando se acopla una señal alterna a la entrada de
una etapa de amplificación, el circuito equivalente es
como el de la Figura. La resistencia del generador y
la resistencia de entrada de la etapa, aparecen junto
al condensador. Este circuito de acoplamiento tiene
una frecuencia de corte de f 1=1
2 πRC dónde:
R=RG+R¿ (3.12)
3.1.5.5. Condensador de acoplo a la salida
La figura muestra el lado de salida de una etapa bipolar.
Diseño con Transistores Página 84
Al aplicar el teorema de Thevenin se obtiene el circuito equivalente de la Figura
Se puede usar la Ecuación (3.11) para calcular la frecuencia de corte, donde:
R=RC+RL (3.13)
3.1.5.6. Condensador de desacoplo de emisor
El circuito Thevenin de la figura es lo que se aprecia desde
el condensador. La frecuencia de corte viene dada por la
expresión:
f = 12π Z out C
(3.14 )
Zout=ℜ⋰⋰[r ' e+R1⋰⋰R2⋰⋰ RG
β ](3.15)
Ejemplo:
Calcular la frecuencia
de corte inferior
correspondiente a cada
condensador de acoplo
y desacoplo.
Valores:
Diseño con Transistores Página 85
Β= 150
VCC=10V
Ic= 1.1 mA
RG= 600 Ω
R1= 2.2KΩ
R2= 10KΩ
RC= 3.6KΩ
RE= 1KΩ
RL= 10KΩ
CIN= .47µf
CE= 10µf
COUT= 2.2 µf
Solución:
Para el CIN.
Zi=R2⋰⋰R1⋰⋰βr ' e
r ' e=25 mvIc
= 25 mv1.1 mA
=22.7 Ω
Zi=10 K⋰⋰2.2 K⋰⋰150 (22.7 )=1.18 KΩ
R=600Ω+1.78 kΩ=1.78 kΩ(se desprecialaresistencia del generador)
f 1=1
2πRC= 1
2π (1.78 kΩ )(.47 µf )=190 Hz
Para el COUT.
R=RC +RL=(3.6 KΩ+10 KΩ )=13.6 KΩ
f 2=1
2πRC= 1
2π (13.6 KΩ )(2.2 µf )=5.32 Hz
Diseño con Transistores Página 86
Para el CE.
Zout=ℜ⋰⋰[r ' e+R1⋰⋰ R2⋰⋰ RG
β]
R=1 KΩ⋰⋰[22.7 Ω+ 10 KΩ⋰⋰2.2 KΩ⋰⋰600 Ω150 ]=25.1 Ω
f 3=1
2π Zout C= 1
2π (25.1 Ω)(10 µf )=635 Hz
El capacitor dominante es el paralelo al emisor.
3.1.6. Teorema de Miller
Un amplificador inversor produce una tensión de salida desfasada 180º respecto a la
tensi6n de entrada.
3.1.6.1. Condensador de realimentación.
La figura representa un amplificador con un
condensador entre sus terminales de entrada y de
salida. Este condensador algunas veces se
denomina condensador de realimentación debido a
Diseño con Transistores Página 87
que la salida del amplificador se realimenta a la entrada. En este circuito el condensador
de realimentación afecta a los circuitos de entrada y de salida simultáneamente.
3.1.6.2. Conversión del condensador de realimentación
Por el teorema de Miller, señala que el circuito
original se puede reemplazar por un circuito
equivalente. Este circuito es más fácil de analizar
porque el condensador de realimentación se ha
descompuesto en dos nuevas capacidades, C ¿ yCout .
Los valores de C ¿ yCout . Se pueden calcular por la siguientes formulas.
C ¿=C ( A+1 )(3.16)
Cout=C ( A+1A )(3.17)
Las Ecuaciones (3.16) y (3.17) son válidas para cualquier amplificador inversor, como el
amplificador en EC, el amplificador en EC con resistencia de emisor sin desacoplar, o un
amplificador operacional inversor. En estas ecuaciones, A es la ganancia de tensión en las
frecuencias medias. Normalmente, A es mucho mayor que 1, y Cout es aproximadamente
igual a la capacidad de realimentación. Lo más sorprendente del teorema de Miller es el
efecto que tiene sobre la impedancia de entrada C ¿ Es como si la capacidad de
realimentación hubiese sido amplificada para obtener una nueva capacidad que es A+ 1
veces mayor. Este fenómeno, conocido como el efecto Miller, tiene aplicaciones útiles
porque crea condensadores artificiales o virtuales que son mucho mayores que el
condensador de realimentación.
Diseño con Transistores Página 88
3.1.6.3. Circuito de desacoplo de colector
La Figura muestra una etapa en EC con capacidad parasita de las conexiones C parasita. Justo
a la izquierda esta C 'C un valor que normalmente se especifica en la hoja de características
de un transistor. Esta es la capacidad interna entre el colector y la base. Aunque C 'C y
C parasita son muy pequeñas, tendrán efecto cuando la frecuencia de entrada es
suficientemente alta.
La frecuencia de corte de esta red de retardo de fase es:
f 1=1
2πRC(3.18)
Donde:
R=RC⋰⋰RL
C=C ' C+Cparasita(3.19)
Diseño con Transistores Página 89
3.1.6.4. Circuito de desacoplo de la base
El transistor tiene dos
capacidades internas C 'Cy C ' e
como se representa en la
figura Como C 'C es un
condensador de
realimentación, es posible convertirlo en sus dos componentes. La componente de entrada
de Miller aparece en paralelo con C ' e La frecuencia de corte de este circuito de desacoplo
de base viene dada por la Ecuación (3.18), donde R es la resistencia de Thevenin que ve la
capacidad. La capacidad es la suma de C ' e y la componente de entrada de Miller.
3.2 Respuesta en baja y alta frecuencia del amplificador JFET.
3.2.1. Formulas
Para la respuesta a baja y alta frecuencia del JFET como el circuito que se muestra en la
figura
Se utilizan tres fórmulas parecidas a las del BJT para la baja frecuencia.
Diseño con Transistores Página 90
Fórmulas para la baja frecuencia
En el capacitor de entrada ¿
f 1=1
2πRC(3.20)
R=RG+Zi
Zi=R1⋰⋰R2
En el capacitor de salida ¿
f 2=1
2 πRC(3.21)
R=R c+RL
En el capacitor de Emisor ¿
f 3=1
2πRsC(3.22)
Fórmulas para la alta frecuencia
Ciss es la capacidad de entrada cuando la salida esta cortocircuitada.
Ciss=Cgs+Cgd (3.23)
Coss es la capacidad que ve el FET cuando las entradas están cortocircuitadas.
Diseño con Transistores Página 91
Coss=Cgd+Cds (3.24)
Crss es la retroalimentación.
Crss=cgd (3.25)
Cgd=Ciss−Crss (3.26)
Cds=Coss−Crss (3.27)
Cin ( M )=Cgd ( Av+1 )(3.28)
Cout ( M )=Cgd ( Av+1Av )(3.29)
Unidad 4: Amplificadores Retroalimentados
Diseño con Transistores Página 92
4.1 Configuración General: En la figura 4.1 se muestra el diagrama en bloques de un amplificador retroalimentado.
Figura 4.1 Diagrama en Bloques de un Amplificador Retroalimentado
4.1.1 Ganancia de Lazo Cerrado: Del análisis de la figura 4.1 se obtiene las siguientes relaciones:
1.) ………… (4.1) 2.) ……….. (4.2)
3.) ………… (4.3) 4.) ……………….. (4.4)
Sustituyendo (4.3) en (4.2):
…………….. (4.5)
Sustituyendo (4.5) en (4.1):
……….. (4.6)
Diseño con Transistores Página 93
Despejando de (4.6) la incógnita SO:
………….. (4.7)Finalmente, sustituyendo (4.7) en (4.4):
………………(4.8)
De la fórmula (4.8) se obtiene:
A: Ganancia de la Etapa A
β: Red β (Etapa de retroalimentación)
Ahora, si de la fórmula (4.8), el producto de la ganancia de la etapa A por la red β es
mucho mayor que 1(βA>>1), la fórmula se puede simplificar de la siguiente manera;
…………. (4.9)
4.2 Topologías de la Retroalimentación: En los amplificadores reales, las señales
de entrada y salida pueden ser voltajes o corrientes. Si el voltaje de salida es la señal de
retroalimentación, puede compararse con el voltaje de entrada para generar la señal de
voltaje de error, o con la corriente de entrada para generar la señal de corriente de error.
Según el tipo de señales muestreadas y sumadas en un amplificador retroalimentado, se
pueden formar una de las cuatro combinaciones según el tipo de conexión que se establece
en la entrada u en la salida respectivamente, estas son:
1. Serie-Paralelo
2. Paralelo-Serie
Diseño con Transistores Página 94
3. Serie-Serie
4. Paralelo-Paralelo
4.2.1Topologia Serie-Paralelo (Amplificador de Voltaje): Este tipo de topología
presenta una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. En la figura 4.2
se muestra la topología de la retroalimentación Serie-Paralelo:
Figura 4.2 Topología Serie-Paralelo
4.2.2 Topología Paralelo-Serie (Amplificador de Corriente): Al contrario de la
topología serie-paralelo, esta topología presenta baja impedancia de entrada y una alta
impedancia de salida. En la figura 4.3 se muestra la topología Paralelo-Serie:
Diseño con Transistores Página 95
Figura 4.3 Topología Paralelo-Serie
4.2.3 Topología Serie-Serie [Amplificador de Transconductancia (Tensión de
Entrada y Corriente de Salida)]: Esta configuración presenta alta impedancia de
entrada y alta impedancia de salida. En la figura 4.4 se muestra la topología Serie-Serie.
Figura 4.4 Topología Serie-Serie
4.2.4 Topología Paralelo-Paralelo [Amplificador de Transresistencia
(Corriente de Entrada y Tensión de Salida)]: Esta topología presenta una baja
impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. En la figura 4.5 se muestra la
topología Serie-Serie.
Diseño con Transistores Página 96
Figura 4.5 Topología Paralelo-Paralelo
4.3 Efectos de la Retroalimentación: Los efectos principales el usar
retroalimentación son los siguientes:
1. Reducción de la sensibilidad a las variaciones de la fuente.
2. Capacidad para controlar el ancho de banda.
3. Estabilización de un sistema inestable.
4. Capacidad para controlar la respuesta transitoria del sistema.
5. Permite que el circuito sea inmune al ruido.
4.4 Tipos de Retroalimentación: Existen básicamente dos tipos de
retroalimentación, los cuales son:
4.4.1 Retroalimentación Negativa: En este tipo la señal de salida (o una fracción de
esta), es retroalimentada de manera continua al lado de entrada, y se resta a la señal de
Diseño con Transistores Página 97
entrada creando una señal de error que a su vez es corregida por el amplificador para
producir la señal de salida deseada.
4.4.2 Retroalimentación Positiva: En este tipo la señal de salida es retroalimentada de
manera continua al lado de entrada y se agrega a esta a fin de crear una señal de error más
grande y así crear una señal de salida mayor, hasta que la señal de salida llegue al voltaje
límite de saturación.
4.5 Respuesta a la Frecuencia: Como ya se estudió en la unidad 3, los
amplificadores responde de forma diferente a frecuencias bajas y altas, dependiendo del
cálculo del capacitor de corte en baja y el capacitor de corte en alta.
En el amplificador retroalimentado la ganancia está dada por la relación de la re y la rf, por
tanto, sin tomar en cuenta que la ganancia de la etapa A es muy grande, el amplificador va
a tener una ganancia mucho menor que dicha etapa, lo que trae como ventaja una gran
estabilidad de la señal de salida y un aumento considerable en el ancho de banda.
En la gráfica 4.1a se muestra la respuesta a la frecuencia de un amplificador en emisor
común para una ganancia de 400, mientras que en la gráfica 4.1b se muestra la respuesta a
la frecuencia de un amplificador retroalimentado para la misma ganancia en la etapa A.
Diseño con Transistores Página 98
Grafica 4.1a Respuesta a la Frecuencia Grafica 4.1b Respuesta a la Frecuencia Amplificador en Emisor Común Ampl. Retroalimentado
4.6 Ejemplo de Amplificador Retroalimentado: En la figura 4.6 se muestra el
diagrama de un amplificador retroalimentado de 2 etapas.
Diseño con Transistores Página 99
Figura 4.6 Amplificador Retroalimentado de 2 Etapas
De la figura 4.6 si se tiene una re=100Ω y una rf=1KΩ, para calcular la ganancia del
circuito seria:
Sin importar cuál sea la ganancia de la etapa A (Amplificador multietapa, que se espera
que sea muy alta), la ganancia del amplificador retroalimentado es de 11 con una
estabilidad grande.
La red β se calcularía de la siguiente manera:
4.7 Formulas para el Diseño de un Amplificador Retroalimentado de 2
etapas:
Nº
Fórmula
Descripción Fórmula
4.11 Ganancia de Lazo Cerrado
4.12 Ganancia de Etapa 2
Diseño con Transistores Página 100
4.13 Resistencia de Carga
4.14 Resistencia Dinámica
4.15 Ganancia de Etapa 1
4.16
Impedancia de Entrada de la
Etapa 2
4.17 Resistencia de Base
4.18 Resistencia de Polarización (1)
4.19 Resistencia de Polarización (2)
NOTA: Hay que recordar que para que los amplificadores funcionen de manera eficiente
deben presentar 2 características en especial; alta impedancia de entrada para evitar la
demanda de corriente de la fuente de alterna, y una baja impedancia de salida para evitar
las caídas de tensión internas y así de esta forma aprovechar casi el 100% de la señal de
entrada a la salida.
4.8 Amplificadores con Retroalimentación Positiva (Oscilador)
Diseño con Transistores Página 101
El funcionamiento de este amplificador es igual al de retro negativa con la diferencia que
la señal de retroalimentación se suma a la señal de entrada provocando una señal de
amplificación cada vez más grande.
Se de la formula, el producto de la etapa por la etapa A ( ), se logra mantener en
uno (1), se estará creando un oscilador.
4.8.1 Criterios del Oscilador: Para crear un oscilador exitosamente deberá cumplir con
el siguiente criterio:
1.
2. El desfasamiento sea
Si no se logra cumplir con este criterio podría suceder lo siguiente:
1. <1: La señal empezaría a disminuir hasta que desaparecer, como se muestra
en la figura 4.7.
Figura 4.7 < 1
Diseño con Transistores Página 102
2.- > 1 La señal empezaría a crecer hasta tender a infinito, lo que ocasionaría
que se perdiera el rastro de la señal de forma visible, como se muestra en la figura
4.8.
Figura 4.8 > 1
Diseño con Transistores Página 103
Unidad 5: Amplificadores de Potencia.
5.1 Conceptos básicos y aplicación.
Los amplificadores de potencia son convertidores que transforman la energía de fuente en
seña potencia de salida. Estos pueden ser tipo clase A, AB, B y C. Los cuales tienen
distintos parámetros de eficiencia y uso.
Introducción:
Un amplificador de potencia convierte la potencia de una fuente de corriente continua
(Polarización VCC de un circuito con transistores), usando el control de una señal de
entrada, a potencia de salida en forma de señal. Si sobre la carga se desarrolla una gran
cantidad de potencia, el dispositivo deberá manejar una gran excursión en voltaje y
corriente. Los puntos de operación deben estar en un área permitida de voltaje y corriente
que asegure la máxima disipación, (SOA, Safe Operating Area). Se deben considerar los
voltajes de ruptura y efectos térmicos permitidos en los dispositivos de estado sólido,
considerar la característica no lineales en el funcionamiento y usar los parámetros para
gran señal del dispositivo.
5.1.1- Clasificación de los amplificadores de potencia.
Existen cuatro clasificaciones básicas de amplificadores de potencia: A, AB, B y C. En
clase A, el amplificador está polarizado de tal forma que la corriente por el colector fluye
durante el ciclo completo de la señal de entrada. Para clase AB, la polarización del
amplificador es de tal forma que la corriente de colector solamente fluye para un lapso
Diseño con Transistores Página 104
menor a los 360º y mayor a los 180º de la onda correspondiente. Para el funcionamiento en
clase B, la corriente IC fluirá solo durante 180º de la onda de entrada. Finalmente, para
funcionamiento en clase C, el dispositivo conducirá durante un periodo inferior a los 180o
correspondiente a la onda de entrada. La Fig. , muestra el comportamiento de las distintas
clases. Los amplificadores tipo AB y B usan configuraciones transistorizadas llamadas
push-pull.
Cada uno de estos amplificadores posee características de eficiencia y distorsión distintos,
por lo cual, sus aplicación será a distintas áreas.
5.1.2- Relaciones básicas en los amplificadores de potencia.
Para analizar los amplificadores de potencia se requiere de ciertas cantidades y relaciones.
Como el amplificador de potencia convierte la potencia de cc de la fuente de alimentación
en una señal de potencia en la carga, la eficiencia de este proceso está dada por:
…………..(5.1)
Donde η es la eficiencia, PL (AC), es la potencia media de señal en la carga y PCC, la
potencia media de salida en la fuente de alimentación.
El peak instantáneo y la potencia media disipada en el dispositivo de amplificación,
considerando un transistor bipolar como dispositivo de potencia, se tiene
………….(5.2)
Donde PCE es la disipación media de colector, PL es la potencia total, es decir, potencia cc
más potencia ca en la carga.
Para la evaluación de las distintas cantidades de potencia, se usa la relación básica dada
por (5.3), donde p es la potencia instantánea, v e i son el voltaje y la corriente instantáneos.
……………..(5.3)
Si se considera que v e i son formas de onda periódica, con componente media (cc), la cual
puede ser cero y una componente de ca, no necesariamente sinusoidal, así se tendrá.
Diseño con Transistores Página 105
……………(5.4)
………………..(5.5)
Tomando el periodo completo de la onda, se tiene que:
………………(5.6)
Donde, Pdc es la contribución de la componente continua y Pac es la contribución de la
componente alterna a la potencia media. Si las componentes de ca son tipo sinusoidal, se
tiene:
………………….(5.7)
……………...……(5.8)
Reemplazando en la ecuación (5.6), se tiene:
………….(5.9)
Como 2 = √2√2, entonces:
……………..(5.10)
Cuando la señal de corriente tiene componente continua el valor rms de la forma de onda
está dado por:
Diseño con Transistores Página 106
……..…(5.11)
Donde IDC , es la componente continua de la señal, I1rms es el primer armónico de la señal,
Inrms es el n − ésimo armónico de la señal.
5.1.3- El amplificador Clase A
En operación clase A, el amplificador reproduce toda la señal de entrada, la corriente de
colector es distinta de cero todo el tiempo, lo cual se considera muy ineficiente, ya que
para señal cero en la entrada, se tiene un ICQ > 0, luego el transistor disipa potencia.
Amplificador Emisor común
Sea la configuración de emisor común de la Fig. 1, la cual funciona en clase A. Por
simplicidad se hace la resistencia de emisor RE = 0. El primer paso será seleccionar RL
para máxima potencia de salida.
En la Fig. 5.2, se muestra las rectas de carga para dos puntos Q del amplificador, las cuales
se intersectan con la curva PCE. Se observa que IC2 será la máxima corriente permitida para
iC y VCE1 será el máximo voltaje permitido para vCE , para el transistor en cuestión. El
Diseño con Transistores Página 107
óptimo elegido será el punto de reposo Q1, debido a que IC1 < IC2, lo cual implica una
disminución en la corriente de colector, lo que trae consigo una disminución en la
distorsión y una menor corriente de base requerida para obtener IC1.
Para que la realización sea factible, VCE1 debe ser menor que VCEO, así se tomará que VCE1
= VCC . Lo cual puede no ser necesariamente efectivo para otras configuraciones en clase
A.
Para valores ICMax y VCEMax, se tiene que el punto Q estará dado por la tangente a la curva
PCEMax, dado por las coordenadas ICQ = ICMax / 2 y VCEQ = VCEMax / 2 como se indica en la
Fig. . Se asume que la señal de entrada puede manejar el transistor entre el corte y la
saturación, de esta forma para una variación en la corriente de base, se tiene la variación en
la corriente de colector, y una variación en la potencia.
Diseño con Transistores Página 108
5.2- Análisis de expresiones de potencia y eficiencia.
El amplificador clase A, estudiado anteriormente tiene una resistencia de colector separada
Rc y una RL, lo mejor que se puede hacer en este caso es adaptar las impedancias RL =
RC para obtener el rendimiento máximo del 25% cuando la resistencia de carga pasa a ser
la RC, la resistencia de colector. Recibe como mucho el doble de potencia de salida y el
rendimiento máximo aumenta el 50%.
De acuerdo a la curva, se pueden establecer las curvas para iC , vCE , PCC ,PCE y PL. El
valor de la onda de potencia instantánea pCC, estará dada por el producto VCC iC y tiene la
misma forma que iC . PCE = icvCE. Note que la forma de onda de PCE tiene una frecuencia
el doble de las otras formas de onda. La potencia en la carga será:
…………..(5.12)
Diseño con Transistores Página 109
Luego de acuerdo a (5.11), considerando que la corriente tiene componente continua y
alterna, se tiene:
…………(5.12)
De la curva de la Fig. 5.3, se determina I CQ=I CMax
2=
V CEMax
2 RL
=V CC
2RL , luego
……………(5.14)
Por otro lado, la potencia promedio entregada por la fuente será:
Diseño con Transistores Página 110
………..…..(5.15)
Finalmente, la eficiencia estará dada por:
…………….(5.16)
La eficiencia de este amplificador es baja, 25%, esto debido principalmente a que se
mantiene una corriente de reposo en la carga, la cual no es usada (desperdiciada). Como la
potencia en el transistor corresponde a la potencia de la fuente menos la potencia en la
carga (total, es decir la ca y la dc), se tiene que
…………….(5.17)
El cual tiene dos componentes, el primero será cc y le segundo ac. Se define
adicionalmente un Factor de Merito (FM)
B. Configuración emisor común con transformador de acoplo Sea el circuito de la Fig. 5a.
Una forma de mejorar la eficiencia del amplificador clase A es usar el acoplo de la carga
mediante un transformador. ? Cómo es eso?
Diseño con Transistores Página 111
Al considerar este acoplamiento, hace que la recta de carga en cc pase por VCEQ = VCC ,
pues RCC = 0, luego la recta de carga de alterna corta el eje del voltaje en un valor 2VCC .
Como consecuencia de esto, cuando no hay señal, no existirá corriente por el colector. La
carga vista por el colector será
……………..(5.18)
Para este caso la potencia en la carga será:
………….(5.19)
Como sólo la carga recibe componente alterna, la corriente efectiva será la amplitud sobre
√2, luego:
……………….(5.20)
……………(5.21)
Debido a que VCEQ = VCC, se tiene que VCEMax = 2VCC , por lo tanto, de la curva se
determina que I CMax=V CC
R1L
, así
Diseño con Transistores Página 112
……………..(5.22)
Dado que la potencia media de la fuente es PCC = VCC ICQ, entonces:
…………(5.23)
…..……….(5.24)
Finalmente, la eficiencia de la conversión será:
Por otro lado se tiene
…………(5.25)
……………..(5.26)
Diseño con Transistores Página 113
Y el Factor de Merito
5.2.2- Análisis de amplificador clase A.
Ejemplo 1: Sea el amplificador clase A de la Fig.5.7, sabiendo que a la carga RL se le
entrega una potencia de 2W calcular
• La potencia de la fuente PCC
• ICQ para que el transistor trabaje en clase A
• Características del transistor Dado que el rendimiento es el 50%, se tiene.
Diseño con Transistores Página 114
Como PL(AC) = V2 CC/ R1L = 2W, esto implica que R0L = 202 /2W = 100 [Ω] , además, PL
= (ICQ / √2 )2 R1 L , entonces
5.2.3- Análisis de Amplificador Clase B.
En esta operación, se usa un transistor para amplificar el ciclo positivo de la señal de
entrada, mientras un segundo dispositivo se preocupa del ciclo negativo. Esta es la
configuración push-pull.
Se requieren dos transistores para producir la onda completa. Cada transistor se polariza en
al punto de corte en lugar del punto medio del intervalo de operación. La corriente de
colector es cero cuando la señal de entrada es cero, por lo tanto el transistor no disipa
potencia en reposo.
De la curva dada en la Fig. 5.9, se obtiene:
Luego, la potencia en la carga será nuevamente la indicada en (5.12). En este caso, cada
transistor opera durante un semi-ciclo, por lo tanto, el valor efectivo de la onda será
ICMax /2 , así, la potencia total en la carga por cada transistor será:
Diseño con Transistores Página 115
Luego, la potencia total en la carga suministrada por ambos transistores
Para determinar la potencia promedio PCC , entregada por VCC , se debe determinar la
corriente media consumida, la cual se llamará ICC, (que corresponde a la media de la
corriente iCC ). De acuerdo a la Fig. 5.10 la onda de corriente producida sera la
superposición de los dos semiciclos.
Así se tiene que
Diseño con Transistores Página 116
Finalmente, se tiene el rendimiento:
Lo que corresponde a un 78.5% de eficiencia en la conversión. Por otro lado, la potencia
disipada en el colector Será:
Sea el circuito de la Fig. 5.11 que corresponde a un amplificador de simetria
complementaria. La carga será de acoplamiento directo
Diseño con Transistores Página 117
Para este amplificador se tiene
Simetría complementaria con acoplamiento capacitivo Para este caso se tiene que la
alimentación de cada transistor es VCC / 2 y la carga será RL.
Diseño con Transistores Página 118
Ejemplo 2: Sea el amplificador clase B de la Fig. 5.13.Considere una carga de 8 [Ω].
Calcule la potencia de señal máxima en la carga, la disipación correspondiente a cada
transistor y la eficiencia.
Como la potencia esta dada por
5.3- Análisis de efecto térmico y distorsión.
5.3.1- Análisis térmico.
Potencia de Salida Útil y Potencia Disipada Máxima: El agregado del circuito de
polarización, estabilización y eventual compensación térmica, para que el circuito opere en
un clase B práctico y particularmente, las resistencias de estabilización R10 y R11
Diseño con Transistores Página 119
conectadas en los emisores introducen una modificación en la resistencia de carga
dinámica, que ahora pasa a ser ( RC + R10 ) para el transistor T3 y (RC + R11 ) para el
transistor T4 por lo que si consideramos el circuito equivalente de carga dinámica de T3
por ejemplo, en él puede verificarse que siendo la potencia de señal de salida la que
establece la ecuación (I.35.), es decir:
Diseño con Transistores Página 120
Ps=(I cmax)(V cemax )
2 Ahora I cmax=
(V cemax)RC+R10
…..…(5.27)
En tanto que si llamamos Vomax a la tensión que se desarrolla sobre la carga RC la misma
resulta ser una fracción de Vcemax establecida por el divisor:
Vomax=Vocemax ∙Rc
R c+Rc…………..(5.28)
En consecuencia, la potencia realmente aprovechada en la carga RC , o potencia de salida
útil que llamaremos Pu resulta ser:
Pu=I cmax ∙ Vomax
2=
V cemax
2(RC+R10)∙ V cemax ∙
RC
RC+R10
En consecuencia:Pu=V cemax
2∙ RC
2 ∙(RC+R10) o bien V cemax=
RC+R10
RC√2 ∙ Pu ∙ RC
Por igual motivo la potencia disipada máxima determinada por la ecuación (XI.8.) sufre
una leve modificación al considerarse la nueva resistencia de carga dinámica. Asimismo y
a los efectos de considerar apartamientos de las condiciones nominales que frecuentemente
ocurren en los circuitos reales, consideraremos un +10 % de variación en la tensión de la
fuente de alimentación y un –20 % de variación en la resistencia de carga RC de modo
entonces, que la potencia disipada más exigente sería la que seguidamente se indica:
PdMAX=(1,1∙V CC)
2
10 ∙(R10+0,8 ∙ RC)…………(5.29)
5.3.2- Distorsión.
Existen varios tipos de distorsión. La más conocida y usada como spec es la distorsión
armónica total, normalmente unida al nivel de ruido. En este caso, la distorsión producida
al recortarse una onda, o al producirse una onda triangular por un slew-rate bajo puede
medirse perfectamente con este parámetro.
Diseño con Transistores Página 121
El nivel de ruido se puede considerar como una distorsión, aunque completamente
diferente de la distorsión armónica. El mayor problema es que siempre hay un cierto nivel
de ruido en la línea y se amplifica, llegando a ser audible. La amplificación diferencial es
una buena solución para ese problema. Hay otro tipo de distorsión, poco conocida y difícil
de medir, que parece ser exclusiva del campo del audio, por sus grandes ganancias y su
necesidad de baja distorsión armónica, llamada transient intermodulation.
En amplificación de pequeña señal, no se produce excesiva distorsión por tres motivos:
Ganancias moderadas.
Amplitud del voltaje reducida.
Intensidad de colector (drenador) con muy pequeñas variaciones.
Ninguno de estos puntos se suele cumplir en la amplificación de potencia, y la
consecuencia en grandes señales es:
o Gran amplitud de voltaje:
o distorsión por el efecto Early (en BJT y MOS).
o En los mosfet: las altas capacidades CGD y CGS hacen que se reduzca el ancho de
banda notablemente (aunque esto no sea propiamente una distorsión)
Intensidad en el transistor:
Intensidad de colector con grandes variaciones:
o Variaciones muy grandes de beta
o Variación de la impedancia de salida hoe
o Variación de la impedancia de entrada hie
Diseño con Transistores Página 122
o Variación de Vbe
En el caso de los mosfet, intensidad de drenador con grandes variaciones:
gm es variable con respecto de ID.
Cuando ID es pequeña, se produce un comportamiento marcadamente a lineal en
todos los mosfet.
Variación de la impedancia de salida Rs
Variación de ID supone variación de VGS, y esto implica la carga y descarga de la
capacidad equivalente de entrada Cjss
Grandes ganancias:
Aparición del efecto Miller. En el caso de los mosfet de potencia, cuya capacidad
de entrada es alta (200pF), el problema es aún mayor.
Con pequeñas ganancias, el efecto de las anteriores causas de distorsión es mínimo, pero
en grandes ganancias, sus consecuencias son muy notables.
5.3.3 Distorsiones medibles.
La tendencia de las etapas de muy alta gama, ya asentadas en el mercado y con un buen
número de seguidores incondicionales es reducir el factor de realimentación negativa,
incluso a costa de una mayor "distorsión". Lógicamente ellos se lo pueden permitir... ¿o
no? Entre un Technics con un 0,01% THD y un Gryphon con un 0,01%, ¿usted no elegiría
el Gryphon? Luego algo debe haber aparte de THD.
Diseño con Transistores Página 123
IMD
SMTPE
El test SMTPE es uno de los más antiguos para esta
distorsión. Existe una relación muy cercana entre THD de
bajo orden e IMD ya que se suelen generar de la misma
manera.
A la derecha se puede ver la onda de prueba, una de 60Hz
sumada a otra de 7000 Hz de un valor 4 veces menor.
Pero es una representación de lo que ocurre cuando se
·"generaliza" la distorsión armónica para varias ondas, ya
que en todos los casos el mecanismo de generación de
THD genera también IMD.
Concretamente, esta cifra se mueve en: IMD=A*THD,
siendo A un número entre 3 y 4. IMD se incrementa con las
variaciones bruscas en la ganancia (recorte, saturaciones,
cruce por cero...) y disminuye con las funciones de
transferencia suaves, por lo que esta ley no es universal,
pero sí una buena aproximación.
CCIF
El test CCIF es más apropiado para medir este fenómeno
en audio. Consiste en aplicar una señal de 14kHz y 15kHz
(o 18kHz y 19kHz) y crea componentes de IMD en 1, 2, 3,
4, 5kHz... Es una medida que tiene relación con THD por
que también señala una dependencia del punto de
Diseño con Transistores Página 124
operación, es decir, una no linealidad, pero también tiene
relación con la velocidad del amplificador, ya que en el
punto de máxima variación de tensión se produce el doble
de distorsión (también medible mediante análisis de
Fourier) que THD, la cual no nos revelaría este
comportamiento, si se produce.
En el ejemplo se puede ver un análisis utilizando esta
técnica. Se trata de una etapa de gran velocidad, y muy
bajo factor de realimentación. En ella se puede apreciar
que las componentes más distantes (1, 2,3kHZ) están muy
por debajo de las dos ondas de prueba, mientras que las
que se pueden medir por SMTPE son más notables. THD
de esta etapa es de 0,03%, lo que se corresponde con los
resultados SMPTE (0,1%) y da una idea de que no se
producen grandes limitaciones de velocidad, ya que la
componente de 1kHz está en 0,03%
5.3.4 - Distorsiones temporales.TIM (SID)
Otala, el descubridor de ésta distorsión llegó a justificar cambios audibles en base a una
distorsión que hasta entonces no se había tenido en cuenta. Un ejemplo de algo que puede
pasar, que bajo ciertos criterios técnicos no tenga cabida pero sí los tenga a nivel de oído.
A nivel teórico el desfase a 10kHz es de 4º y es ese el desfase medido en el armónico
fundamental de la salida. No es gran cosa comparada con la distorsión que posee.
Veámoslo en el análisis de frecuencias de la salida:
Diseño con Transistores Página 125
Nº Frecuencia Amplitud Amplitud
normalizada
1 1.000E+04 9.539E+00 1.000E+00
2 2.000E+04 2.672E-01 2.801E-02
3 3.000E+04 3.581E-01 3.754E-02
4 4.000E+04 1.153E-01 1.209E-02
5 5.000E+04 2.122E-01 2.225E-02
Distorsión armónica total = 5.324501E+00 por ciento.
Efectivamente, un 5% de distorsión armónica es una cifra alta
En las etapas diferenciales la corriente de polarización la produce una fuente constante, por
lo que esta etapa nunca podrá proporcionar a ese condensador más corriente de lo que hay.
En estos gráficos podemos ver los caminos de carga y descarga del condensador de Miller.
Existe una relación directa entre el valor de éste condensador, la ganancia total, y la
corriente de polarización. El caso es que para variaciones muy bruscas de la tensión, el
condensador se carga a través de una fuente de corriente, lo que limita la tasa de variación
de su voltaje.
Éste es el motivo de construir amplificadores con un gran ancho de banda, no para que
nuestro can oiga música supersónica, como muchas veces se ha sugerido por
desconocedores de un fenómeno científico probado y relacionado con la audición, sino
para que no tenga lugar ésta limitación. Esta velocidad supone cómo de rápido se va a
corregir sus propios errores la etapa.
Personalmente no veo necesario aumentar el ancho de banda por encima de 50kHz para
que podamos oírlo, porque no podemos, pero sí veo necesario aumentarlo por encima de
100, incluso de 500kHz para poder atender a las bruscas variaciones de tensión que
Diseño con Transistores Página 126
produce la música. En las válvulas, el transformador de salida limita el ancho de banda a
40kHz en los mejores casos, pero no produce una limitación en la tasa de variación, de ahí
que sus agudos se mantengan cristalinos y que la música tenga dinamismo.
5.3.5- Distorsiones térmicas.
Se puede comprobar en un op-amp de potencia que a baja frecuencia se genera distorsión
armónica que decrece con una pendiente de 6dB/oct a medida que aumenta la frecuencia.
Es una causa de IMD, pero cuya acción es sumamente lenta y con gran diferencia entre las
frecuencias. Puede generar componentes armónicas de IMD que afectan a frecuencias
mucho mayores. Por mis experiencias puedo decir que es audible, pero difícilmente
medible mediante los test convencionales. Aunque no haya podido encontrar una relación
causa efecto obvia más que en etapas con grande derivas térmicas, me baso en que cuando
una etapa requiere compensación térmica (las de salida), la tonalidad no alcanza el nivel
esperado hasta que no se ha producido la estabilidad térmica.
Este tipo de distorsión se agrava en los integrados, donde las modulaciones térmicas en el
punto de operación de las etapas se ven afectadas por la proximidad física. También es
obvio que una resistencia tiene un cierto coeficiente térmico y esto varía su valor, siendo
habitualmente causa de variaciones en la ganancia total y punto de operación de las etapas
restantes. Además, ésta modulación es amplificada.
5.3.6- Mecanismos de audición.
Resulta curioso como los ciertos amplificadores de válvulas clase A con cifras altas de
distorsión parecen y pueden sonar mejor y con más potencia que otro con salida en clase
AB de la misma potencia.
Diseño con Transistores Página 127
Efectos de la distorsión: timbre.
El timbre resultante de una distorsión armónica tiene una estrecha relación entre su
estructura de armónicos y la de un instrumento que crea una secuencia semejante. La
división más sencilla es viento, cuerda y percusión.
Además de la absorción de las ondas del material, en él también se pueden crear
armónicos, que son de orden 2n. Esto ocurre principalmente en trompetas y trompas, con
paredes más delgadas, y no en el flautín, con paredes más gruesas. El sonido resultante
también es diferente. Las trompetas son más estridentes, aparte de que la carga espacial
genera armónicos de orden par.
De esto se deduce en gran parte que cada instrumento tiene su timbre, y que la adición de
timbre no es inocua ni mucho menos, pero en muchos casos puede pasar desapercibida o
resultar beneficiosa con valores de hasta el 5% THD. En instrumentos de cuerda, la adición
de armónicos de 2º y 4º orden por parte de la electrónica contribuirá a enfatizar el timbre,
puede hacer que los violines suenen con más presencia, pero no será lo mismo para
instrumentos de viento, donde el timbre se verá falseado.
Efectos de la distorsión: tipos de componente.
Cada circuito tiene un tipo de distorsión característica. Las etapas clase A, suelen tener
distorsión de 2º orden, por eso parecen sonar más altos los amplificadores clase A single-
ended. Las etapas push-pull tienden a cancelar el 2º armónico y hacen que el predominante
sea el 3º, dando una sensación de sonido poco hiriente.
Además, cada tipo de componente tiene un tipo de distorsión característica y
predominante. En las válvulas es la de 2º orden, en transistores es 2º y 3º orden (no
simétricos) y en operacionales monolíticos sólo 3º.
Diseño con Transistores Página 128
Un armónico f7 que cree una THD de un 0,1% es audible y molesto, pero una distorsión de
2º orden con la misma THD puede no serlo. Por este motivo, un nivel de distorsión
armónica de un 1% de 2º orden (como en muchos amplificadores a válvulas) puede pasar
desapercibida.
En conclusión, no todas las distorsiones son iguales, y aceptando que la distorsión no
puede ser 0, lo mejor es que sea de 2º orden.
5.4. Análisis y diseño de amplificadores de potencia.
A continuación se inicia el análisis y diseño de amplificadores lineales de potencia,
comenzando con los de clase A, con sus ventajas y desventajas, y continuando con
amplificadores clase B, analizando los criterios de diseño de amplificadores acoplados
inductivamente y los de acoplamiento directo, incluyendo los distintos casos de simetría
complementaria, y configuración puente.
Por último se pasa al diseño de amplificadores de potencia realimentados con el análisis y
diseño de fuentes de alimentación lineales, variables y con protección o control de
corriente de salida, para lo cual se desarrolla un diseño por parte de los alumnos de una
fuente completa la cual debe ser realizada como proyecto final de la materia.
En cada uno de los casos de estudio, en el diseño se utiliza para comprobación de
funcionamiento las herramientas de simulación correspondiente.
5.5- Efectos de ruido.
Diseño con Transistores Página 129
RUIDO: Se denomina ruido en la comunicación a toda señal no deseada que se mezcla con
la señal útil que queremos transmitir. Es el resultado de diversos tipos de perturbación que
tiende a enmascarar la información cuando se presenta en la banda de frecuencias del
espectro de la señal, es decir, dentro de su ancho de banda. El ruido se debe a múltiples
causas: a los componentes electrónicos (amplificadores), al ruido térmico de las
resistencias, a las interfaces de señales externas, etc. Es imposible eliminar totalmente el
ruido, ya que los componentes electrónicos no son perfectos. Sin embargo es posible
limitar su valor de manera que la calidad de la comunicación resulte aceptable.
INTERFERENCIA: Es cualquier cosa que altera, modifica o interrumpe la señal cuando
viaja a lo largo del canal entre fuente y receptor. Los ejemplos más comunes son:
Interferencia Electromagnética (EMI)
Interferencia del Co-channel (CCI)
Interferencia adyacente (ACI)
Interferencia de intersimbolo (ISI)
Interferencia del Común-modo (CMI)
5.5.1- Ruido aleatorio.
También conocido como ruido térmico, es generalmente el más importante y tiene su
origen en la agitación o movimiento caótico de los electrones en los componentes
electrónicos. Presenta una densidad espectral de igual potencia en todo el ancho de
banda, por lo que se suele denominar "ruido blanco", ya que una distribución espectral
de este tipo, pero en la banda visible de las ondas electromagnéticas, produciría luz
blanca. Existen también otros ruidos "coloreados" de los cuales el más popular es el
ruido rosa, utilizado para hacer mediciones, cuya potencia decrece a ritmo de 3 dB por
octava.
Diseño con Transistores Página 130
5.5.2- Ruido periódico.
Este tipo de ruido suele generarse fuera del equipo, al que se acopla de alguna forma. A
diferencia del ruido aleatorio, el periódico puede ser totalmente eliminado mediante un
adecuado diseño del equipo), una instalación adecuada. El tipo más frecuente de ruido
periódico es el llamado "zumbido", consistente en oscilaciones de 50 Hz y sus
armónicos, provenientes de la red eléctrica. Suele deberse a inducciones o a defectos en
la puesta a tierra de los circuitos.
La medida del ruido periódico es similar a la del ruido aleatorio, excepto que se
necesita disponer de un osciloscopio o de un analizador de espectros para identificar la
frecuencia de! ruido periódico. Este tipo de medidas sólo se realiza por parte de los
técnicos de mantenimiento. En el apartado de "otros ruidos" habría que citar el "ruido
de granalla" que se produce en los semiconductores por la generación y recombinación
aleatoria de algunos pares electrón-hueco. El ruido de granalla presenta, al igual que el
térmico, un espectro plano dentro de la gama de frecuencias. Este tipo de ruido no
suele encontrarse en las especificaciones de los equipos actuales, ya que es de muy
poco valor en los semiconductores modernos. Debe citarse también el "ruido digital",
que se produce cuando la señal analógica es cuantificada después del muestreo.
Conclusión:
Los amplificadores de potencia son fundamentales para diversas aplicaciones, tales como
audio radio frecuencia. Solo se han mostrado algunos conceptos básicos, con el fin de
entender las magnitudes más importantes, tales como la eficiencia, Potencia de señal y
potencia disipada por el transistor.
Diseño con Transistores Página 131
Práctica Nº 1
Amplificador Multietapa
Objetivo de la Práctica
Diseñar y construir un amplificador multietapa, con una ganancia total de 25 y que por
separado cada una de 5 de ganancia y que multiplicado de la ganancia total.
2.2 Materiales y Equipos:
2 transistores BC547
Resistencias (Según cálculos realizados)
Osciloscopio.
Generador de señales.
Fuente de CD sencilla
3 Puntas para osciloscopio.
Multímetro digital.
3 Capacitores de 1uF.
2 capacitores de 47uF.
Diseño con Transistores Página 132
Diagrama a Montar para la Práctica
Av =5 en la segunda etapa
Para la etapa 2:
…………(1)
Para una Rc=5.1KΩ
5=5.1 K /¿10 Kℜ+r ´ e
Diseño con Transistores Página 133
ℜ+r ´ e=5.1 k /¿10 k /5
ℜ+r ´ e=3377.481Ω /5 = 675.49Ω
Calcular r´e
r ´ e= 25 mA1mA 2 a
=25 Ω
r ´ e=( ℜ+r ´ e )−r ´ e=675.49Ω−25 Ω=650.49Ω
Despejando RE y sustituyendo:
Vcc=Vce+ Ic ( ℜ+ℜ+Rc )
ℜ=Vcc−VcE−Ic(Rc+ℜ)
Ic
ℜ=12 v−6 v−1.25 mA (5.6 K+650.49 Ω)
1.25 mA
ℜ=12 v−6 v−5.75 v1.25 mA
=250 Ω
Calculando VBB y RB:VBB=VBE+ Ic(ℜ+r ´ e)
VBB=0.7+1mA (250 Ω+650 Ω)VBB=0.7 v+0.9 v=1.6 v
RB=β (RE+re)/10= (200) (900Ω)/10= 1800Ω
Ahora hay que calcular la impedancia y las resistencias R1 y R2 los cuales nos permitirán
calcular el capacitor que nos permitirá alcanzar la ganancia adecuada.
Fl´´´=300HzZE=RE//[r ´ e+R 1/¿ R 2/ β ]
ZE=1300Ω//160Ω=142.68Ω
R 1= RB
1[VBBVcc ]
= 18000 Ω
1−[ 1.6 v12 v ]
=20769.23 Ω=18 K
r 2=RBVccVBB
=18000 Ω[ 12 v1.6 v ]=135000 Ω=120 KΩ
Diseño con Transistores Página 134
CE 1= 12 π (300 Hz )(142.68)
=3.4718 μF
Amplificador Multietapa siendo provado.
Diseño con Transistores Página 135
Osciloscopio mostrando amplificación y generador de señales.
Resultados Obtenidos
1. Av1=¿ 4.8
2. AVT= Alta ganancia final
3. Av2=5.2
Conclusiones
Se logró diseñar y construir un amplificador multietapa, con una ganancia de voltaje
estable de 5.2, de esta forma, se pudo observar el comportamiento del circuito, dando
como resultado un alto grado de estabilización de la onda en la salida, sin importar la
frecuencia en la que se opera.
Diseño con Transistores Página 136
Recomendaciones
Tener en cuenta los valores de las resistencias se debe tener los valores más aproximados a
ellas y conocer bien la polarización del transistor.
Practica Nº 2
Amplificador de cascada
Objetivo de la Práctica
Diseñar y construir un amplificador en cascada usando tres transistores (2 BJT y 1FET) la
cual tiene que tener una ganancia de 25.
Material y Equipo necesario
2 transistores BC547 y 1 transistor
Resistencias (Según cálculos realizados)
Diseño con Transistores Página 137
Osciloscopio.
Generador de señales.
Fuente de CD sencilla
Puntas para osciloscopio.
Multimetro digital.
3 Capacitores de 1uF.
2 capacitores de 47Uf
Diagrama a montar
Diseño con Transistores Página 138
Cálculos
Etapa 3: Se calcularan los voltajes correspondientes
Vcc=VCE2+VEE 2
12=6 v+VRE2
VRE 2=12 v−6 v
I 3=VRE 2ℜ2
= 6 v220Ω
=27.28 mA
VBB2=0.7v+6v=6.7v
Por medio a sus especificaciones de su hoja de datos se harán los siguientes cálculos
Diseño con Transistores Página 139
Vc 1=VBB 2
Vc 1=Vcc−VRc 1
VRC 1=Vcc−Vc 1=12 v−6.7 v=5.3 v
Diseño con Transistores Página 140
Se calculara la Etapa 2
Vcc=VRC 1+VcE+VRE1
12 v=+5.3 v+6v+VRE 1
VRE 2=12 v−6 v−5.3 v=0.7 v
Para R1=10K
R 2=10 k (12−1.6 v )
1.6 v=6.5 K ≈ 6.8 K
Calcularemos la Etapa 1
Zin2=R 1/¿ R 2/¿ β(r ´ e2+ℜ)
Zin2=10k /¿65 k /¿200(25Ω+680Ω)=8164 Ω
VDS=6v RD=3.9K
VGS(off)=-1.8v VGS=-0.75v ID=1.25mA
Av=−gm¿
Diseño con Transistores Página 141
gm= AvRD /¿ Zin2
= 53.9 k /¿8.2 K
=1891 µS
Av2=5
Av2=Rc /¿Zin 3/ré
Ré 3= 25 mv27.28 mA
=.9164 ≈ 1 Ω
Zin3=β ¿
Β=200
Zin=200(220/¿220)=200 (110)=22000 Ω
Para Rc=5.1K Ic=1mA
Av=Rc/¿ Zin3/r ´ e+ℜ
r ´ e+ℜ=RC /¿Zin3 / Av
r ´ e+ℜ=5.1 /¿22000 /5=4140.22/5=828 Ω
r ´ e2=25 mA1 mA
=25Ω
r ´ e=( ℜ+r ´ e )−r ´ e=828 Ω−25 Ω=803 Ω=820 Ω
Vcc=Vce+ Ic ( ℜ+ℜ+Rc )
ℜ=Vcc−Vce−Ic(Rc+ℜ)
Ic
ℜ=12 v−6 v−1mA (5.1 K+680 Ω)
1 mA
ℜ=12 v−6 v−5.75 v1mA
=220 Ω
Calculando VBB y RB:
VBB=Vbe+ Ic(ℜ+r ´ e)
VBB=0.7+ .001mA (220 Ω+680 Ω)
Diseño con Transistores Página 142
Vbb=0.7 v+0.9 v=1.6 v
VBB=[ R 1R 1+R 2 ]Vcc= VBB
VCC=[ R 1
R 1+R 2]
VBBR1+VBBR 2=R 1Vcc
R 2=R 1Vcc−VBBR1/VBB
VDD=VDS+ ID (Rd+RS )
RS=VDD−VDS−IDRD / ID
Rs=12 v−6 v−1.25 mA (3.9 K )/1.25 mA
RS= 1.25 v1.25 mA
=900Ω
VSS=VGS+VS
VS=IDRS=1.25 mA (900 Ω)=1.125 v
VSS=[ R 1R 1+R 2 ]VDD
R1=18k
R 2=18 k (12 v−.375)/0.375
R 2=565 K ≈ 560 K
Diseño con Transistores Página 143
Circuito Amplificador de cascada.
Diseño con Transistores Página 144
Se muestra el material utilizado en la práctica.
Resultados Obtenidos:
4. Primera etapa = 5 de ganancia
5. Segunda etapa =4.8 de ganancia
6. Tercera etapa= 1 de ganancia
7. AVT= Alta ganancia final
Conclusiones
Se logro diseñar y construir un amplificador en cascada en tres etapas, con una ganancia de
25, de esta forma, se pudo observar el comportamiento del circuito el cual nos permitió
trabajar con un FET y dos BJT, los cuales tienen diferentes características y hay que
encontrar un punto de equilibrio entre los dos.
Recomendaciones
Se recomienda tener en cuenta la función de los dos diferentes transistores, tener en
cuentas las betas como las diferentes configuraciones ya que por una mala polarización
puede resultar fatal.
Diseño con Transistores Página 145
Práctica Nº 3“Amplificador Sintonizado”
Objetivo de la Práctica:
Diseñar y construir un amplificador sintonizado con transistor BJT, cuya frecuencia de
resonancia sea de 1.5MHz.
Materiales y Equipos:
Diseño con Transistores Página 146
1 transistor (Q) NPN 2N2222.
1 capacitor (C) (cálculos).
2 capacitores de 1uF (Cin y Cout).
1 bobina (L) de 15uH.
RB de 4.7k.
RL 10k.
Fuente de C.D.
Osciloscopio.
Generador de señales.
Multimetro digital.
Puntas para osciloscopio.
Protoboard.
Diagrama a Montar para la Práctica:
Diseño con Transistores Página 147
Calculo del Capacitor (C): Para una frecuencia de resonancia (Fr) de 1.5MHz, y una bobina (L) de 10uH, haciendo
uso de la formula (2.27) se obtiene el valor del capacitor:
Sustituyendo valores:
Cálculo del punto Q:
1. Sustituyendo valores en la fórmula (2.34) se obtiene la reactancia inductiva:
Diseño con Transistores Página 148
2. Ahora hay que sustituir el valor de XL en la formula (2.33), para de esta forma
obtener el valor del punto Q del inductor:
3. Sustituyendo el valor anterior en la formula (2.32):
4. Con el valor conseguido en el punto anterior podemos obtener la resistencia de
carga final, sustituyendo en la formula (2.29):
5. Finalmente haciendo uso de la fórmula (2.28) se obtiene el Q del amplificador
sintonizado:
Cálculo del Ancho de Banda:
Haciendo uso de la fórmula (2.31) se obtiene el ancho de banda:
Diseño con Transistores Página 149
Amplificador Sintonizado montado en protoboard
Diseño con Transistores Página 150
Fuente de D.C que Alimenta al Circuito.
Diseño con Transistores Página 151
Generador de Señales
Resultados Obtenidos:
1.- A una frecuencia de resonancia de 1.6MHz se logro la máxima ganancia permitida por
el amplificador sintonizado cuyos valores fueron:
2.- A una frecuencia de corte en alta de 1.71MHz se obtuvo el 70% de la ganancia total de
dicho amplificador. Los valores resultantes fueron:
Diseño con Transistores Página 152
En CH1 se muestra el voltaje de entrada, en el CH2 voltaje de salida.
Conclusiones
En la realización de la práctica de laboratorio se logro diseñar y construir exitosamente un
amplificador sintonizado. Esto permitió observar como es su comportamiento en la
frecuencia de resonancia y en frecuencias cercanas a esta, confirmando de esta manera los
cálculos obtenidos de forma teórica, y conocer un poco del funcionamiento de equipos que
en la vida cotidiana están compuestos por este tipo de amplificadores.
Recomendaciones
1.- Para que el amplificador funcione correctamente es recomendable el uso de bobinas
identificables por colores (como las resistencias), ya que poseen un recubrimiento contra el
ruido evitando que este se cuele entre la señal y no se logre observar el resultado esperado.
Diseño con Transistores Página 153
2.- También se recomienda realizar cálculos con otro valor de inductor para de esta manera
tener una segunda opción lista para probar.
Práctica Nº 4“Amplificador Diferencial”
Objetivo de la Práctica
Diseñar y construir un amplificador diferencial espejo de corriente que incluya una fuente
de corriente por transistor para obtener una ganancia de voltaje de 20
Material y Equipo Necesario:
Diseño con Transistores Página 154
3 transistores BC547
Resistencias (Según cálculos de diseño)
Osciloscopio
Generador de señales
Fuente doble
Multimetro digital
Puntas para osciloscopio
Protoboard
Caimanes
3.3 Diagrama del amplificador a montar:
Diseño con Transistores Página 155
Calculo de IR:
Para una R= 10K, y haciendo uso de la formula 2.23 (con una pequeña modificación):
Haciendo uso de la fórmula 2.12 se tiene que:
Ahora hay que calcular la resistencia dinámica (r’e) del transistor:
Diseño con Transistores Página 156
Sustituyendo este valor en la fórmula 2.19, y despejando RC:
Amplificador Diferencial montado en Protoboard
Diseño con Transistores Página 157
Conexión con Fuente de CD doble.
Resultados
Diseño con Transistores Página 158
En el Osciloscopio se Muestra los Valores de Entrada Salida del Amplificador Diferencial
Diseño con Transistores Página 159
Recomendaciones
Al momento de construir esta práctica, se deben buscar los valores más cercanos a las
resistencias calculadas, si se logran encontrar de preferencia resistencia de precisión, para
que la ganancia obtenida sea del valor esperado.
También afecta un poco el hecho de que los transistores, a pesar de que son de la misma
matricula, poseen betas distintas lo que altera un poco el resultado final.
Conclusiones
En la práctica realizada se logro construir exitosamente un amplificador diferencial espejo
de corriente con fuente de corriente a una ganancia cercana a la calculada. Muchos de estos
amplificadores se encuentran dentro de un encapsulado conocido por todos que es el
amplificador operacional, por lo que es de mucha importancia su estudio para lograr una
mayor comprensión del mismo y un manejo básico de los amplificadores operacionales.
Diseño con Transistores Página 160
Práctica Nº 5Respuesta a la baja Frecuencia BJT.
Objetivo de la Práctica
“Diseñar y construir un amplificador con transistor BJT, para obtener una ganancia de 20
además de calcular sus capacitores para tener una frecuencia de corte de 300HZ”
Materiales y Equipos
Protoboard.
1 Transistor BC547
1 resistencia de 10KΩ.
1 resistencia de 3.9KΩ
1 resistencia de 120Ω
1 resistencia de 1.8KΩ
1 resistencia de 68KΩ
1 resistencia de 220KΩ
1 capacitor de 2.524µf aproximado.
1 capacitor de .19µf aproximado.
1 capacitor de .949µf aproximado.
1 Fuente Variable.
Generador de Funciones.
Osciloscopio.
Puntas de osciloscopio.
Multímetro digital.
Diseño con Transistores Página 161
Cable para conexiones.
Desarrollo de la Práctica
Diagrama a montar:
Cálculos:
Suponiendo los siguientes valores
Av=20 RL=10 KΩ IC=1 mA Vcc=12 v VCE=6 v fl=300 Hz Rc=3.9 K Ω
Av=RC⋰⋰RLℜ+ré
20=2.8 K Ωℜ+ré
ℜ+ré=2.8 K Ω20
=140.287 Ω
ré=25 mVIC
=25 mV1mA
=25 Ω ré=( ℜ+ré )−ré ℜ=115Ω
Diseño con Transistores Página 162
Vcc+VCE+ Ic(RC +ℜ+ℜ)
ℜ=Vcc−VCE−IC (RC +ℜ)
ICℜ=
12 v−6v−1 mA (3.9 KΩ+115Ω)1 mA
ℜ=1.985 v1mA
=1985 Ω=1.8 K Ω
VBB=IBRB+VBE+ IC (ℜ+ℜ ) VBB=0.7 v+1.985 v=2.685 v
RB= βRE10
=250(1985)
10=52500 Ω
R 1= RB
1−VBBVCC
= 52500 Ω
1−2.685 v
12 v
=67632.85 Ω=68 KΩ
R 2=RBVCCVBB
=52500 Ω12 v
2.685 v=234636.87 Ω=220 K Ω
En base a la fórmula calcularemos los capacitores
f 1=1
2 πRC(3.11)
Para Cin y f ´ l=30 Hz
Zi=R2⋰⋰R1⋰⋰βr ' e
r ' e=25 mvIc
=25 mv1mA
=25 Ω
Zi=52500Ω⋰⋰6250Ω=5585 Ω
Zi=Rin
R=RG+R¿ (3.12 )
Se desprecia la resistencia del generador por ser muy baja.
f ´ l= 12 πRC
=2 πRCf ´ l=1Cin= 12 πRf ´ l
= 12 π (5585 Ω)(30 Hz)
=0.949 µF
Para el Cout y f ' ' l=60 Hz
Utilizando la formula 3.13
R=RC +RL=(3.9 KΩ+10 KΩ )=13.9KΩ
Diseño con Transistores Página 163
Cout= 12 πRf ' ' l
= 12 π (13.9 KΩ )(60 Hz)
=190 nf
Para el CE. Y f ' ' ' l=300 Hz
Aplicando las formulas 3.14 y 3.15
R=ℜ⋰⋰[r ' e+R1⋰⋰ R2
β]
R=1985Ω⋰⋰[25 Ω+52500250 ]=210.12Ω
CE= 12πRC
= 12 π (210.12Ω )(300 Hz)
=2.624 µF
El capacitor dominante es el paralelo al emisor.
Resultados Obtenidos
Con los cálculos obtenidos se prosiguió por hacer el montaje de la práctica y observa la
amplificación.
En esta foto se muestra el montaje de la práctica con cada uno de los elementos además de
ciertos arreglos en los capacitores para obtener el valor deseado.
Diseño con Transistores Página 164
En esta figura observamos los valores medidos por el osciloscopio, con una frecuencia de
300Hz. Además de las señales de entrada y salida, la señal de salida es la desea ya que esa
señal es la que corta a 300 Hz con una amplificación de 20.
Conclusiones
Una de las formas de aprender el funcionamiento real de los componentes, es aprender a
usarlos en la práctica, ya que es donde pones a prueba los conocimientos obtenidos en las
clases, y donde aprendes a solucionar problemas presentados al momento. En la
realización de la práctica de laboratorio se logró diseñar y construir exitosamente un
amplificador de respuesta abaja frecuencia BJT. Esto permitió observar cómo es su
comportamiento en la frecuencia de 300Hz, confirmando de esta manera los cálculos
obtenidos de forma teórica.
Recomendaciones
1. Estar concentrados en lo que se está realizando para evitar que la práctica falle por
errores insignificantes.
2. Medir las betas de los transistores para evitar fallas en los cálculos.
Diseño con Transistores Página 165
3. Utilizar el puente universal para medir los capacitores ya que muchas veces no son
el valor que nosotros vemos en la matricula.
4. Tener el material suficiente para poder cambiar si alguno se daña.
Práctica Nº 6Respuesta a la baja Frecuencia JFET.
Objetivo de la Práctica
“Diseñar y construir un amplificador con transistor FET, para obtener una ganancia de 20
además de calcular sus capacitores para tener una frecuencia de corte de 300HZ”
Materiales y Equipos
Protoboard.
1 Transistor 2N5457
1 resistencia de 3MΩ.
Diseño con Transistores Página 166
1 resistencia de 680Ω
1 resistencia de 7.5KΩ
1 resistencia de 5.1KΩ
1 resistencia de 10KΩ
1 capacitor de 0.157µf aproximado.
1 capacitor de 0.102µf aproximado.
1 capacitor de 9.57nf aproximado.
1 Fuente Variable.
Generador de Funciones.
Osciloscopio.
Puntas de osciloscopio.
Multímetro digital.
Cable para conexiones.
Desarrollo de la Práctica
Diagrama a montar:
Diseño con Transistores Página 167
Cálculos:
Suponiendo los siguientes valores
Av=20 VDD=24 v VDS=12 v VGS ( off )=−1.8 vVGS=−0.75 I=1 mA
R 2=3 MΩ
gm=gmo(1−( VGSVGS (off ) ))gm=5000 μS[1−[−0.75 v
−1.8 ] ]gm=5000 μS [1−0.41666666 ]=2.91666 mS
Av=Rdgm Rd= Avgm
= 202.91666 mS
=6857.14 Ω=7.5 K Ω
VDD=IDRD+VDS+ IDRS
IDRS=VDD−VDS−IDRD
RS=VDD−VDS−IDRDIS
=24 v−12 v−(1 mA )(6800 Ω)
1mA=5.2 v
1 mA=5.1 K Ω
Vg=VS+VGS=5.1 v+(−0.75 v )=4.45 v
Vg=[ R 1R 1+R 2 ]VDD VgR 1+VgR 2=R 1 VDD
VgR 2=( R 1 VDD−VgR 1 ) VgR2=[ VDD−Vg ] R 1
Diseño con Transistores Página 168
R 1= VgR 2VDD−Vg
=(4.45 v)(3 M Ω)24 V −4.45 V
=682864.45 Ω=680 K Ω
De acuerdo a la fórmula 3.20, para f ' l=30 Hz
Zin=R 1⋰⋰ R 2=554347.82 Ω=R
Cin= 12 π (30 Hz)(554347.82 Ω)
=9.57 nF
De acuerdo a la fórmula 3.21, para f ' ' l=60 Hz
Zout=RD+R 2=R
Cout= 12 π (60 Hz)(16800 Ω)
=0.157 µF
De acuerdo a la fórmula 3.22, para f ' ' ' l=300 Hz
ZS=RS
Cout= 12 π (300 Hz)(5200 K Ω)
=0.102 µF
Resultados Obtenidos
Con los cálculos obtenidos se prosiguió por hacer el montaje de la práctica y observar la
amplificación.
Diseño con Transistores Página 169
De acuerdo con los datos mostrados por el osciloscopio se comprobaron los cálculos ya
que nos daba una amplificación aproximada a 20, además de tener una frecuencia de corte
de 300 Hz en el Cout.
Conclusiones
En la realización de la práctica de laboratorio se logró diseñar y construir exitosamente un
amplificador de respuesta abaja frecuencia FET. Esto permitió observar cómo es su
comportamiento en la frecuencia de 300Hz, confirmando de esta manera los cálculos
obtenidos de forma teórica.
Recomendaciones
1. Estar concentrados en lo que se está realizando para evitar que la práctica falle por
errores insignificantes, además de no perder la paciencia ya que en muchas
ocasionas la práctica no funciona a la primera y hay que hacer modificaciones.
2. Verificar las curvas del transistor.
3. Utilizar el puente universal para medir los capacitores ya que muchas veces no son
el valor que nosotros vemos en la matricula.
4. Tener el material suficiente para poder cambiar si alguno se daña.
Diseño con Transistores Página 170
Práctica Nº 7Respuesta a la Alta Frecuencia BJT.
Objetivo de la Práctica
“Diseñar y construir un amplificador con transistor BJT, para obtener una ganancia de 20
además de calcular sus capacitores para tener una frecuencia de corte alta de 300KHZ”
Materiales y Equipos
Protoboard.
1 Transistor BC547
1 resistencia de 10KΩ.
1 resistencia de 6KΩ
1 resistencia de 150Ω
1 resistencia de 1.2KΩ
1 resistencia de 68KΩ
1 resistencia de 12KΩ
1 capacitor de 0.35µf aproximado.
1 capacitor de 0.135µf aproximado.
1 capacitor de 2.87µf aproximado.
1 Fuente Variable.
Generador de Funciones.
Osciloscopio.
Diseño con Transistores Página 171
Puntas de osciloscopio.
Multímetro digital.
Cable para conexiones.
Desarrollo de la Práctica
Diagrama a montar:
Cálculos:
Suponiendo los siguientes valores
Av=20 RL=10 KΩ IC=1 mA Vcc=12 v VCE=6 v fl=300 KHz
Rc=6 K Ω
Av=RC⋰⋰RLℜ+ré
20=2.8 K Ωℜ+ré
ℜ+ré=2.8 K Ω20
=140.287 Ω
Diseño con Transistores Página 172
ré=25 mVIC
=25 mV1 mA
=25 Ω ré=( ℜ+ré )−ré ℜ=154 Ω
Vcc+VCE+ Ic(RC +ℜ+ℜ)
ℜ=Vcc−VCE−IC (RC +ℜ)
ICℜ=1.14 v
1 mA=1140Ω=1.2 KΩ
VBB=IBRB+VBE+ IC (ℜ+ℜ ) VBB=0.7 v+1.3 v=2 v
RB= βRE10
=250(1140)
10=28500 Ω
R 2=68 K
R 1= R 2VBBVCC−VBB
=13.6 K Ω=12 K Ω
En base a la fórmula calcularemos los capacitores
f 1=1
2 πRC(3.11)
Para Cin y f ´ l=50 Hz
Zi=R2⋰⋰R1⋰⋰β (r ' e+ℜ)
r ' e=25 mvIc
=25 mv1mA
=25 Ω
Zi=9047.16 Ω
Zi=Rin
R=RG+R¿ (3.12 )
Se desprecia la resistencia del generador por ser muy baja.
f ´ l= 12 πRC
=2 πRCf ´ l=1Cin= 12 πRf ´ l
= 12 π (9047.16 Ω)(50 Hz )
=0.35µF
Para el Cout y f ' ' l=80 Hz
Utilizando la fórmula 3.13
R=RC +RL=(6 KΩ+10 KΩ )=16 KΩ
Diseño con Transistores Página 173
Cout= 12 πRf ' ' l
= 12 π (16 KΩ )(80 Hz)
=0.135 µf
Para el CE. Y f ' ' ' l=300 Hz
Aplicando las formulas 3.14 y 3.15
R=ℜ⋰⋰[r ' e+R1⋰⋰ R2
β]
CE= 12πRC
= 12 π (66.08Ω )(300 Hz)
=2.87 µF
El capacitor dominante es el paralelo al emisor.
Resultados Obtenidos
Con los cálculos obtenidos se prosiguió por hacer el montaje de la práctica y observa la
amplificación fuera exacta o aproximada si no de lo contario se tendría que recalcular.
Diseño con Transistores Página 174
En esta foto se muestra el montaje de la práctica con cada uno de los elementos además de
ciertos arreglos en los capacitores para obtener el valor deseado.
Diseño con Transistores Página 175
En esta figura se muestra como se ajustó el osciloscopio una frecuencia de 300KHz que
sería nuestra frecuencia de corte que deseábamos.
Posteriormente con el montaje y con la frecuencia del osciloscopio ajustada se prosiguió a
medir con el osciloscopio cada una de señales para saber la amplificación y si a hacia el
corte a la frecuencia establecida.
Diseño con Transistores Página 176
En esta figura observamos los valores medidos por el osciloscopio, con una frecuencia
aproximada de 300KHz. Además de las señales de entrada de 12mV y salida de 220mV.
Haciendo el cálculo correspondiente se demuestra que es una amplificación aproximada a
20 de ganancia ya que nos da como resultado 18.33 de ganancia. A la frecuencia
establecida de 300KHz.
Conclusiones
En la realización de la práctica de laboratorio se logró diseñar y construir exitosamente un
amplificador de respuesta alta frecuencia BJT. Esto permitió observar cómo es su
comportamiento en la frecuencia de 300KHz, además de obtener nuevos conocimientos
prácticos ya que en veces existen conflictos en el saber cómo corregir los errores y poder
confirmando de esta manera los cálculos obtenidos de forma teórica.
Recomendaciones
1. Evitar que existan conflictos en el equipo.
2. Medir las betas de los transistores para evitar fallas en los cálculos.
Diseño con Transistores Página 177
3. Utilizar el puente universal para medir los capacitores ya que muchas veces no son
el valor que nosotros vemos en la matricula.
4. Admitir los errores que uno comete para poderlos corregir estos errores como
equipo.
Práctica Nº 8
Respuesta a la baja Frecuencia JFET.
Objetivo de la Práctica
“Diseñar y construir un amplificador con transistor JFET, para obtener una ganancia de
20 además de calcular sus capacitores para tener una frecuencia de corte de 300KHZ”
Materiales y Equipos
Protoboard.
1 Transistor 2N5457
1 resistencia de 10KΩ.
1 resistencia de 5.6KΩ
1 resistencia de 680Ω
1 resistencia de 3.3MΩ
1 resistencia de 100KΩ
1 capacitor de 41.8pf aproximado.
1 capacitor de 3.0pf aproximado.
1 capacitor de 147.786pf aproximado.
1 capacitor de 144.55pf aproximado.
1 Fuente Variable.
Generador de Funciones.
Osciloscopio.
Puntas de osciloscopio.
Multímetro digital.
Cable para conexiones.
Diseño con Transistores Página 178
Desarrollo de la Práctica
Diagrama a montar:
Cálculos:
Suponiendo los siguientes valores
Av=20 VDD=24 v VDS=12 v VGS ( off )=−1.8 vVGS=−0.5
I=1.1 mA
gm=gmo(1−( VGSVGS (off ) ))gm=5000 μS[1−[−0.5 v
−1.8 ] ]gm=3611.11µS
Av=Rdgm Rd= Avgm
= 203611.111mS
=5538.46 Ω=5.6 K Ω
VDD=IDRD+VDS+ IDRS
Diseño con Transistores Página 179
IDRS=VDD−VDS−IDRD
RS=VDD−VDS−IDRDIS
=24 v−12 v−(1.1 mA )(5.6 K Ω)
1.1 mA=715.78Ω=680 Ω
VSS=VS+VGSVS=IDRS=(1.9 mA ) (680Ω )=1.292 v
VSS=−0.5+1.292 v=0.722 v
VSS=[ R 1R 1+R 2 ]VDD
R 2=3.3 MΩ
VSSR 1+VSSR2=R 1VDD
−VSSR 1+R 1VDD=VSSR 2
R 1 (VDD−VSS )=VSS R 2
R 1= VSSR 2VDD−VSS
= 0.722 v24 V−0.722 v
=3.3 M Ω
R 1=102354.15 Ω=100 KΩ
De la hoja de datos obtengo:
Ciss=7.0 pF Crss=3.0 pF
Por lo tanto
Cgd=Crss=3.0 pF
Cgs=Ciss−Crss=7.0 pF−3.0 pF=4 pF
Coss=Cgd+Cds
Av (miller )=3611.11µS (3589.74359 )=12.96
Cin (miller )=Cgd ( Av+1 )
Cin (miller )=3.0 pF (12.96+1 )=41.8 pF
Cout (miller )=Cgd[ Av+1Av ]=3.0 pF [ 12.96+1
12.96 ]=3.23 pF=3.0 pF
Para f ' l=300 KHz
R=R 1⋰⋰R 2=3589.74 Ω
Diseño con Transistores Página 180
Cin= 12 π (300 KHz )(3589.74 Ω)
=147.786 pF
C=Cds+Cout (miller )
Cds=C−Cout (miller )
Cds=(147.786 pF−3.23 pF )=144.55 pF
Resultados Obtenidos
Con los cálculos obtenidos se prosiguió por hacer el montaje de la práctica, además de
hacer los arreglos correspondientes con laos capacitores.
En la figura se denotan el armado de la práctica, y ciertos arreglos como capacitores tanto
cerámicos como electrolíticos.
Diseño con Transistores Página 181
De acuerdo con los datos mostrados por el osciloscopio se comprobaron los cálculos ya
que nos daba una amplificación aproximada a 20, además de tener una frecuencia de corte
de 300 KHz.
Diseño con Transistores Página 182
Conclusiones
La práctica de laboratorio se logró diseñar y construir exitosamente un amplificador de
respuesta alta frecuencia JFET. Esto permitió observar cómo es su comportamiento en la
frecuencia de 300kHz comprobando los cálculos obtenidos de forma teórica. Ay que se
hacia el corte a esta frecuencia.
Recomendaciones
1. Verificar los cálculos antes de empezar a montar asi como las formulas dispuestas
para hacer los cálculos.
2. Verificar las curvas del transistor.
3. Utilizar el puente universal para medir los capacitores ya que muchas veces no son
el valor que nosotros vemos en la matricula.
4. Tener el material suficiente para poder cambiar si alguno se daña.
5. Mantener la paciencia y tener disponibilidad de tiempo para evitar cometer errores.
Diseño con Transistores Página 183
Practica Nº 9
“Amplificador de 2 Etapas Retroalimentado”
Objetivo de la Práctica
Diseñar y construir un amplificador retroalimentado de 2 etapas, con una ganancia sin
retroalimentación de 400 y una ganancia de retroalimentación de 5.
Material y Equipo necesario
2 transistores BC547
Resistencias (Según cálculos realizados)
Osciloscopio.
Generador de señales.
Fuente de CD sencilla
Puntas para osciloscopio.
Multimetro digital.
3 Capacitores de 1uF.
2 capacitores de 47uF.
Diseño con Transistores Página 184
Diagrama del Amplificador a Montar:
Calculo de la etapa de retroalimentación:
Para una re propuesta de 120Ω
Haciendo uso de la fórmula 4.10, despejando rf y sustituyendo los valores de re y Avf
Diseño con Transistores Página 185
11.5 Para la etapa 2:
…………(1)
Despejando RC en 1y sustituyendo:
Para RE:
Para calcular la resistencia de base:
Para calcular las resistencias que polarizan la base:
Diseño con Transistores Página 186
Ahora hay que calcular la impedancia de entrada para esta etapa ya que servirá de
resistencia de carga para la etapa 1:
Cálculos de la etapa 1:
Para Av2=20 re=120Ω
Nuevamente se calcula la RB para obtener las resistencias de polarización de base:
Diseño con Transistores Página 187
Resultados Obtenidos:
8.
9. AVT= Alta ganancia final
10.
Conclusiones
Se logró diseñar y construir un amplificador de 2 etapas retroalimentado, con una ganancia
de voltaje estable de 5.2, de esta forma, se pudo observar el comportamiento del circuito
con y sin retroalimentación, dando como resultado un alto grado de estabilización de la
onda en la salida, sin importar la frecuencia en la que se opera, ya que como se sabe una
de las características principales de este tipo de amplificador es su gran ancho de banda.
Recomendaciones
Diseño con Transistores Página 188
Se recomienda realizar 2 diseños probables para este tipo de amplificador, uno como el que
se construyó en esta práctica, y el 2º con una etapa de seguidor emisor o Colector común, a
la salida, de esta forma la ganancia de voltaje no se ve afectada, y por lo tanto la resistencia
de carga puede ser muy baja.
Practica Nº 10
“Amplificador de potencia”
Objetivo de la Práctica
Diseñar y construir un amplificador potencia clase B/AB para amplificar el sonido.
Material y Equipo necesario
Diseño con Transistores Página 189
Tic 42C y Tic 41
2 disipadores
2 diodos
Osciloscopio.
Generador de señales.
Fuente de CD sencilla
Puntas para osciloscopio.
Multímetro digital.
1Capacitores de 470 uF
1capacitores de 10 uF.
Diagrama del Amplificador a Montar:
Diseño con Transistores Página 190
Cálculos
Pout=1W Vcc=18vR2=8ΩR=3.9KΩ
Calcular el Pout y VppPout=(Vpp)2/8(RL)
Vpp=√ 8 (RL)(1 W )
Vpp=√ 8 (8Ω)(1W )
V (out) pp=8v
Vin=8 vpp
Calcular Ipol
Ipol=Vcc−2VBE /2 R
Ipol=18 v−1.4 v2 (3.9 K )
=16.6 v7.8 K
=2.12 mA
Diseño con Transistores Página 191
ip=VCEQRL
= 9 v8Ω
=1.125 Amp
ℑ=1.125 Ampπ
=360.12 mA
PCD=(Vcc )(ICD)PCD=(18 v ) (360.12 mA )=6.482 W
Calcular μ %
μ %= PoutPCD
∗100 %
μ %= 1W6.48W
∗100 %=15 %
Circuito amplificador de potencia montado en proto-booard.
Diseño con Transistores Página 192
Bocinas de 8 Ω.Resultados Obtenidos:
En este circuito se alcanzan las condiciones al cumplir que son 1 W de potencia a 8
V de alimentación.
Señal de entrada proporcionada por el generador.
Diseño con Transistores Página 193
Conclusiones
Se logró diseñar y construir un amplificador este amplificador nos ayuda adquirir la
potencia que queremos dependiendo de su polarización teniendo en cuenta todos los
parámetros a alcanzar.
Recomendaciones
Al trabajar con este circuito a hay que tener en cuenta que no cualquier diodo se puede
usar, también hay que considerar los disipadores ya que con ello nos ayuda a disipar el
calor y conocer la configuración de estos transistores ya que son diferentes a los que
hemos estado utilizado anteriormente.
Diseño con Transistores Página 194
Practica Nº 11
“Amplificador con Preamplificador”
Objetivo de la Práctica
Diseñar y construir un amplificador potencia clase B/AB que contenga un preamplificador,
tomando la señal de un celular.
Material y Equipo necesario
Tic 42C y Tic 41
2 disipadores
2 diodos
Resistencias (de acuerdo a los cálculos)
Osciloscopio.
Generador de señales.
Fuente de CD sencilla
Puntas para osciloscopio.
Multímetro digital.
1Capacitores de 470 uF
1capacitores de 10 uF.
Bocina
Diseño con Transistores Página 195
Diagrama del Amplificador a Montar:
Cálculos
Pout=1W
Vcc=18v
R2=8Ω
R=3.9KΩ
Diseño con Transistores Página 196
Calcular el Pout y Vpp
Pout=(Vpp)2/8(RL)
Vpp=√ 8 (RL)(1 W )
Vpp=√ 8 (8Ω)(1W )
V (out) pp=8v
Vin=8 vpp
Calcular Ipol
Ipol=Vcc−2VBE /2 R
Ipol=18 v−1.4 v2 (3.9 K )
=16.6 v7.8 K
=2.12 mA
ip=VCEQRL
= 9v8Ω
=1.125 Amp
ℑ=1.125 Ampπ
=360.12 mA
PCD=(Vcc )(ICD)
PCD=(18 v ) (360.12 mA )=6.482 W
Calcular μ %
μ %= PoutPCD
∗100 %
μ %= 1W6.48W
∗100 %=15 %
Av=10
Av=R 3/¿ Rl /R 4
Calcular lasR4 yRb
R 4=R 3/¿ RL / Av=470Ω/¿30(8) /10=10Ω≈ 47 Ω
Rb=βℜ10
=278 (47 )
10=1306.6 Ω
VBB=0.7∗0.0846=1.546
Diseño con Transistores Página 197
R 1=Rb[ VccVBB ]=15 K
R 2= Rb1−[VBB /Vcc ]
=1428 Ω≈1.5 K
Fig. Circuito con pre amplificación montada en proto booard.
Resultados Obtenidos:
En este circuito se alcanzan las condiciones al cumplir que son 1 W de potencia a 8
V de alimentación.
Conclusiones
Con la práctica anterior más un preamplificador se logró construir este amplificador este
nos permite aumentar nuestra amplificación de esta manera al conectar una bocina se
puede escuchar más fuerte y claro si está bien polarizado y si tiene los cálculos correctos.
Diseño con Transistores Página 198
Recomendaciones
Al trabajar con este circuito a hay que tener en cuenta que no cualquier diodo se puede
usar, también hay que considerar los disipadores ya que con ello nos ayuda a disipar el
calor y conocer la configuración de estos transistores ya que son diferentes a los que
hemos estado utilizado anteriormente.
Proyecto Final
Oscilador De Cambio de Face
Objetivo: “Construir un circuito oscilador a una frecuencia de 1kHz, que
genere la señal de entrada para un amplificador de potencia PUSH-PULL”
Materiales y Equipos:
Resistencias (Según cálculos realizados)
Osciloscopio.
Generador de señales.
Fuente de CD sencilla
3 Puntas para osciloscopio.
Multímetro digital.
5 Capacitores.
Desarrollo del Proyecto
Diseño con Transistores Página 199
a-) Diagrama a montar:
Requerimientos:
1.-
2.- El voltaje de salida del oscilador debe ser el voltaje de entrada de una etapa de potencia
con una potencia de 1W y una bocina de 8Ω.
Criterio de Oscilación:
Frecuencia de Oscilación:
Cálculos:
Diseño con Transistores Página 200
12
Las R del diagrama deben ser iguales, al igual que los capacitores; por lo tanto:Para un capacitor C=0.01uF
Para el cálculo del criterio de oscilación:Si se establece una Rc= 4.7k, tenemos:
Ya se tiene la parte de oscilación, ahora solo se tiene que calcular las resistencias de polarización:Teniendo la Rc= 4.7k, y se propone una corriente de 1mA y un voltaje colector emisor 6v:
de esta fórmula se despeja la RE:
Este circuito se acopla a una etapa de PUSH-PULL realizado en la practica 11, como se muestra en el siguiente diagrama.
Diseño con Transistores Página 201
Nota: Los calculos para la etapa de potencia estan en la practica 11, solo
hay que cambiar el generador por la salida del oscilador.
Resultados:
Diseño con Transistores Página 202
Circuito Oscilador montado con el amplificador de potencia
Onda resultante de entrada salida
Diseño con Transistores Página 203
Criterios de Evaluación
Descripción Cantidad Ponderación
Prácticas 11
2 primeras (2% c/u), restantes (4%
c/u )
Proyecto Final 1 20%
Reportes de Prácticas 11 5%
Exposición de investigación 1 5%
Evaluaciones 3 10% c/u
Diseño con Transistores Página 204
Evaluaciones Realizadas
1.- Primer parcial:
1.1- Para el siguiente amplificador calcule la frecuencia inferior de corte (F l), y la
frecuencia superior de corte (Fh), si se tiene que c’e=c’c=5pF:
Datos:
Vin= 1mV
RG= 50Ω
Cin= 1µF
R1= 2.2KΩ
R2= 10KΩ
RC= 3.6KΩ
RE=1KΩ
CE= 47uF
Cout= 4.7uF
Diseño con Transistores Página 205
RG
R2
R1
Vcc
RL
Cout
CE
Cin
RC
RE
RL= 10KΩ
Vcc=12v
β=200
Solución: Primero se debe calcular la corriente de colector, para ello se hace lo siguiente:
Teniendo la corriente de trabajo, se puede calcular la resistencia dinámica del transistor
(r’e):
Ahora para calcular la frecuencia inferior de corte se debe calcular para cada capacitor
externo presente en el circuito, y una vez realizado esto se toma el valor más alto de todos.
El cálculo se hace del siguiente modo:
Diseño con Transistores Página 206
La frecuencia inferior de corte es 195.5Hz
Ahora para la frecuencia de corte superior se realiza lo siguiente:
En este caso la frecuencia de corte superior es la más baja de las 2, es decir, 4MHz.
Diseño con Transistores Página 207
1.2 Para el siguiente amplificador calcular la ganancia en modo común (AvMC), la
ganacia en modo diferencial (AvMD), la corriente de colector (Ic), el voltaje de salida
(Vout) y el RRMC.
Datos:
Vcc=15v
Diseño con Transistores Página 208
VEE=-15v
Rc=180k
RE=270k
Vin=1mV
β=200
Solución: Para calcular la Ic:
Para calcular la ganancia en modo común:
Para la ganancia en modo diferencial:
Para el voltaje de salida:
Diseño con Transistores Página 209
2.- Segundo Parcial:
2.1 Para el siguiente amplificador calcular la impedancia de entrada, la ganancia de
la etapa 1, ganancia de la etapa 2 y voltaje de salida.
Diseño con Transistores Página 210
Datos:
Rs=600Ω R 1=10 KΩ R 2=2.2 KΩ RC=3.6 KΩℜ=2.2 KΩ β=100
RL=10 KΩ
Para la segunda etapa se repiten los valores
Solución.
Diseño con Transistores Página 211
2.2 Para el siguiente amplificador encontrar el rendimiento (η%):
Diseño con Transistores Página 212
Datos:
R 1=200 Ω R 2=100Ω Rc=100Ω ℜ=68 Ω RL=100ΩVcc=30V
Para alterna:
Como voltaje pico se toma el valor más bajo, entre el voltaje corte en cd y el resultado de
Ic*rc=6.85v; por lo tanto el valor a tomar en cuenta es 6.85v.
Diseño con Transistores Página 213
2.3 Para el siguiente amplificador calcular el rendimiento:
Diseño con Transistores Página 214
Datos:
R 1=100 Ω R 2=100ΩVcc=30 V RL=50 Ω
Solucion:
Diseño con Transistores Página 215
Diseño con Transistores Página 216