Universidad de Guadalajara

Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías

Laboratorio de ELECTRONICA II

Práctica # 9

Amplificador DIFERENCIAL

Ricardo Luna Badillo

Código: 005060796

Fecha: 9-Junio-2011

Objetivo

“El alumno comprobará que las características de ganancia, impedancia de salida e impedancia de entrada en un amplificador son modificadas mediante el uso de la realimentación.”

Fundamentos Teóricos

Amplificador no realimentado

Un amplificador no realimentado, o amplificador básico, puede modelarse mediante una de las cuatro redes unilaterales mostradas en la tabla 1. Éstas consisten de una resistencia en la entrada, una fuente de voltaje o de corriente dependiente y una resistencia en la salida. La fuente dependiente y la resistencia de salida forman un equivalente de Thevenin o de Norton.

Un amplificador no realimentado se caracteriza por el valor de la impedancia de entrada (Ri), la ganancia (AV, AR, AG o AI) y la impedancia de salida (Ro).

Existe un criterio que favorece el uso de uno de estos modelos más que los otros para un caso dado. El criterio es minimizar el efecto de carga, tanto en el circuito de entrada como en el de salida. Si la impedancia de salida de un amplificador tiene un valor mucho menor a la resistencia de carga, es conveniente utilizar el equivalente Thevenin ya que las resistencias (de salida y de carga) se conectan en serie, y la mayor parte del voltaje es aplicado a la resistencia de carga. En estos casos, es más conveniente definir la salida como una señal de voltaje. En cambio, cuando la impedancia de salida es mucho mayor a la de carga es conveniente manejar la salida por corriente y usar un equivalente Norton.

Por otro lado, en el circuito de entrada se aplica el mismo criterio, considerando el valor de la impedancia de fuente y la impedancia de entrada. La dependencia de las fuentes en la salida es elegida en función de la señale de entrada v io ii, según el tipo de señal que se maneja en la entrada.

Realimentación

Realimentación significa que parte de la señal de salida en un amplificador básico es llevada a la entrada a través de una red de realimentación, se resta de la señal externa, y se aplica a la entrada del amplificador. El propósito de utilizar retroalimentación es modificar las características de un amplificador de manera que sean ajustadas a valores más convenientes para una aplicación dada. Las características de mayor interés son: Ganancia, impedancia de entrada, impedancia de salida, ancho de banda y distorsión.

Topologías de realimentación

Las cuatro formas básicas de realizar la realimentación se muestran en la figura 1. En general, estas topologías indican la forma en la que se conectan el amplificador básico, la red de realimentación, la fuente externa y la carga. Estas topologías surgen del tipo de señal que se maneja en la entrada y en la salida.

Si la señal de salida del amplificador es voltaje, la red de realimentación se conecta en paralelo con la carga (circuitos a y b de la figura 1), esto con el fin de “detectar” o “medir” el voltaje de salida. Si la salida es de corriente, la red de realimentación se conecta en serie con la carga (circuitos c y d de la figura 1).

Por otro lado, si la señal de entrada al amplificador es de voltaje, la red de realimentación se conecta en serie con la fuente de señal externa y con la impedancia de entrada, esto con el fin de formar una malla donde se pueda aplicar la ley de voltajes de Kirchhoff para combinar estos voltajes (circuitos a y c en la figura 1). Si la señal de entrada es de corriente, la red de realimentación se conecta en paralelo con la fuente externa y con la impedancia de entrada (circuitos b y d en la figura 1).

En todos los casos, la red de realimentación debe presentar impedancias adecuadas en ambos extremos para evitar el efecto de carga en el circuito de salida y evitar insertar elementos adicionales en el circuito de entrada.

Red de realimentación

La red de realimentación es en sí misma una red de dos puertos, consiste generalmente de una red resistiva. Idealmente, se debe comportar como una red unilateral, es decir, debería llevar únicamente la señal de la salida del amplificador a su entrada. El parámetro

más importante de la red de realimentación es el factor de realimentación, definido como la relación de la señal realimentada (por ejemplo, vf) en tre la señal en la carga (por ejemplo vL). en realidad esta cantidad corresponde a la ganancia de la red de realimentación.

Ganancia del amplificador realimentado

Cualquiera de las topologías de la figura 1 se puede representar por el diagrama a bloques de la figura 2, donde se representan las señales como x para generalizar. La ganancia del amplificador está representada por A, β representa el factor de realimentación, y el círculo indica un punto de suma, el cual es una malla si las señales a la entrada son voltajes o un nodo si las señales son de corriente. El signo negativo significa que la señal de entrada al amplificador se obtiene restando la señal externa menos la de realimentación, es decir, se tiene una realimentación negativa. En los modelos de la figura 1, esta resta es evidente si se aplican las leyes de Kirchhoff. Entonces las señal de entrada al amplificador está dada por

A y β se definen como

A=xox i

(2) β=x fxo

(3)

Usando las ecuaciones (1) a (3) se obtiene

x0A

=xs−β x0

De donde se puede definir la ganancia del amplificador realimentado

a f=x0x s

= A1+Aβ

(4)

Se observa que la ganancia del amplificador realimentado depende tanto de la ganancia del amplificador básico, como del factor de realimentación.

Ganancia de lazo

Es conveniente definir la ganancia de lazo

T=−Aβ (5)

De manera que (4) se puede escribir como

A f=A1−T (6)

La ganancia de lazo es fundamental en el funcionamiento del amplificador realimentado. Una técnica simple para conocer la ganancia de lazo es como sigue:

1. Anular la señal de entrada (xs=0 ) .2. Identificar una señal a lo largo del lazo, de manera que se pueda abrir éste sin

alterar las relaciones eléctricas existentes (por ejemplo x i en la figura 3a).3. Abrir el lazo. A la señal correspondiente a la salida se le llamará de igual manera

como se nombraba, mientras que se cambia el nombre a la señal corresopndeinte a la entrada (por ejemplo x i y x i

' en la figura 3b).4. Determinar la relación de la señal de salida entre la señal de entrada. Esta es la

ganancia de lazo (por ejemplo T=xixi' ).

Realimentación paralelo-paralelo

Se basa en un amplificador de transresistencia (entrada de corriente salida de voltaje) y su topología se muestra en la figura 1b. Basados en la ecuación (6), la ganancia de transresistencia del amplificador realimentado está dada por

ARf=AR

1−T (7)

Datos para la práctica

Calcular un amplificador realimentado usando los siguientes datos:

V CC=6V ,V CEQ=2V , ICQ=4mA , RL=10KΩ,r s=(50+10KΩ) , f c=100Hz ,β=120

Nota: El valor sugerido para rs se puede lograr conectando un resistor 10KΩ a la salida de una fuente de funciones de laboratorio, antes de aplicar la señal al amplificador.

hfe=120

39kΩRf

1kΩRC

10kΩRL

10.05kΩRs

150nFCo --> oo

150nFCi --> oo

6V

10mVpk 10kHz 0°

Cálculos.

1. Elegir un transistor y determinar hfe a partir de la hoja de datos o por medición.2. Calcular Rf y Rc usando las ecuaciones:

ICQ=V CC−V BEQ

RC+R f

h fe

V CEQ=ICQhFE

R f+V BEQ

R f=(V CEQ−V BEQ )h fe

ICQ→120 (2−0.7 )4mA

=39k Ω

RC=(V CC−V BEQ )

ICQ−R f

h fe→rf=

(6V−0.7V )4mA

−39K Ω120

=1KΩ

3. Determinar Ri ,Ro y AR usando las siguientes ecuaciones:

Ri=hie Ro=Rc AR=−hfe Rc

Ri=hie=V T

ICQhfe=

35mV4mA

200=1.75K Ω

Ro=1K Ω

AR=−120 (1K Ω )=−120000

4. Calcular la ganancia de lazo usando la ecuación:

Circuito de amplificador con realimentación en paralelo.

T=ibib' =

−h fe

1+R f+hieRC∨¿RL

T=ibib' =

−120

1+ 39k Ω+1.75K Ω1KΩ∨¿10KΩ

=−2.618657

5. Calcular Rif ,Rof y ARf usando las ecuaciones:

z if=R i

1−T ARf=

AR

1−T zof=

aR iS1+AR βA Ri SRo

=Ro

1+AR β ó zof=

Ro

1−T

z if=1.75K Ω

1−(−2.618657 )=483.6048

zof=1K Ω

1−(−2.618657 )=276.3456

ARf=−120000

1−(−2.618657 )=−33.161K

6. Calcular los capacitores de entrada y salida usando las fórmulas:

C i=1

2π f C (r s+R if ) Co=

12π f C (RL+Rof )

C i=1

2π 100Hz (10.05K Ω+483.6048 )=151.092×10−9→150 nF

Co=1

2π 100Hz (10KΩ+276.3456 )=154.8750×10−9→150nF

Mediciones

Mediciones en DC

Armar el circuito y medir la corriente de colector y el voltaje de colector a emisor, y llenar la tabla siguiente:

ICQ VCEQ

Calculado 4mA 2VMedido 3.948mA 2.053V

Error 1.3% 2.65%

Mediciones en DC

Entrada y salida del amplificador con realimentación en paralelo.

Mediciones en AC

Aplicar señal y realizar mediciones de Rif ,Rof y ARf y llenar la tabla siguiente:

Voltaje con carga Voltaje sin carga

Zo=RL( voppvLpp−1)=10K Ω( 49.49mV48.08mV

−1)=3202

ARf=v oii

= 48.08mv20mv

10.05K Ω

=24.160K

Rif Rof ARf

Calculado 483.6048 276.3456 −33.161KMedido 501.32 293.26123 −24.160K

Error 3.66% 6.12% 27.143%