Universidad Nacional de Colombia. Chaparro Arce. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal.Diciembre de 2014 El transistor de Unión Bipolar BJT como amplificador de pequeña señal Daniel Felipe Chaparro Arce, Cod 2262208 Abstract— The results obtained in the lab No. 10 of analog electronics, directed at implementation of bipolar junction transistors BJT power amplifiers are evaluated. Various design configurations in which it is possible to obtain amplification with transistors of this type that will be useful for the development of the final project will be developed. Resumen— A continuación se evaluarán los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio N° 10 de electrónica análoga, dirigida a la implementación de los transistores de unión bipolar BJT en amplificadores de potencia. Se desarrollará el diseño de diversas configuraciones en las que es posible obtener amplificación con transistores de este tipo que serán de utilidad para el desarrollo del proyecto final. Palabras clave— Colector común, emisor común, diseño, punto óptimo de trabajo, fase. I. OBJETIVOS Aplicar la teoría de transistores de unión bipolar (BJT) para señales de pequeña señal y para acoplar impedancias entre etapas de circuitos electrónicos. 1. Diseñar e implementar circuitos amplificadores de pequeña señal con transistores BJT, polarizados en configuración de emisor y colector común. 2. Amplificar señales alternas de baja amplitud. 3. Validar experimentalmente el funcionamiento del transistor BJT como acoplador de impedancias entre etapas de circuitos electrónicos, en configuración de colector común. II. INTRODUCCIÓN Aunque se ha mencionado que en su funcionamiento los transistores Mosfet son superiores a los de unión bipolar BJT, cabe resaltar el hecho de que el transistor BJT es capaz de amplificar tensión y corriente en cantidades superiores a la del Mosfet. La configuración particular de cada uno de los amplificadores relaciona su función primordial y la manera en que amplifica potencia ya sea en forma de tensión o en forma de corriente. III. MATERIALES 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 1 Osciloscopio de dos canales. 1 Generador de funciones 1 Multímetros Fluke. Resistencias de ¼ [W] 1 Fuente Dual. 3 Sondas. Conectores Caimán-Caimán, Banana-Caimán. Transistores BJT NPN referencia LM3086. IV. MARCO TEÓRICO Luego de conocer en detalle el funcionamiento de los transistores de unión bipolar, es necesario echar un vistazo a los principales factores que influyen en su comportamiento como amplificador. Al igual que en los transistores de efecto de campo, existe un valor de transconductancia relacionado para la interpretación del circuito equivalente de un amplificador con BJT, de esta manera se puede decir que la transconductancia m está dada por: 𝐼𝐶 𝑔𝑚= 𝑉𝑇 [2] Como se puede observar, éste valor es directamente proporcional a la corriente de polarización del colector, por lo que para su interpretación es necesario reconocer este valor. En la figura 1 se puede apreciar una interpretación gráfica para gm, en la que se muestra que es equivalente a la pendiente de la función Ic Vs VBE del circuito. 1 A partir de esto. Diciembre de 2014 Con esto. RL=10KΩ. 2 . con los conocimientos adquiridos con los transistores de efecto de campo. Los valores del montaje se realizaron con los datos sugeridos en la guía y gracias al circuito equivalente. Figura 2: Circuito equivalente de un transistor BJT [1]. se dieron valores a algunas resistencias. Chaparro Arce. verificado en las figuras 5 y 6. Figura 3: Circuito emisor común [4]. donde la tensión de salida es: 𝑉𝑠𝑎𝑙 = −𝑔𝑚 ∗ 𝑉𝑖 ∗ (𝑅𝐸 ||𝑅𝐿 ) Con ésta fórmula se puede vislumbrar que la tensión de salida está en contrafase con la de entrada. se puede deducir. Amplificador de pequeña señal configuración de emisor común. PROCEDIMIENTO 1. [2] De esta manera. Este fenómeno se debe a la interacción entra las uniones de los semiconductores dentro del transistor. teniendo en cuenta una ganancia Av=5 con respecto a la salida del generador. se procedió a realizar el montaje del circuito propuesto en la figura 3. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal. es posible determinar los diversos circuitos equivalentes de las configuraciones descritas en la guía de laboratorio y los que sean propuestos a través del trabajo individual y grupal. Debido a que la señal proveniente del generador no cumple la condición de pequeña señal se procedió a realizar un divisor de tensión con la resistencia de 40KΩ tal y como se puede observar en la simulación de la figura 4.Universidad Nacional de Colombia.7𝑉 [2] Otro factor importante en la interpretación del circuito es el conocimiento acerca de la resistencia presente en pequeña señal entre la base y el emisor del circuito. Como se puede apreciar en la gráfica de la figura 1. lo que facilitó el cálculo de los demás valores que se pueden vislumbrar en la simulación de la figura 4. V. Figura 1: Interpretación gráfica de la transconductancia del BJT [1]. 𝑉𝐵𝐸 = 0. por lo que el circuito equivalente del transistor sería el descrito en la figura 2 [1]. la gráfica es muy similar a la de un diodo común. dicho de otro modo es correcto afirmar que. que para representar el transistor dentro de un circuito equivalente es necesaria una fuente dependiente de corriente representada por gmVBE. a esta resistencia se le denomina Rπ y viene dada por. Ic=10mA y una señal de entrada de 200mV a 500Hz. Rπ = 𝐵 𝑉𝑇 ∗ 𝐵 = 𝑔𝑚 𝐼𝐶 en Para comenzar el laboratorio. 8.2 con respecto al divisor de tensión. ni en contrafase.91 V I: 9.2 uA I(rms): 8. las pendientes de las gráficas son muy similares lo que indica que la ganancia del circuito no se ve afectada por los cambios de frecuencia.91 V V(dc): 4. Figura 6: Datos obtenidos en laboratorio Luego de obtener la gráfica respectiva se procedió a modificar la frecuencia de la señal de entrada en 10 veces de cada medición visualizando la curva de transferencia. correspondiente a B=112.85 V I: 9. aun así.42 Por otro lado.24 uA I(rms): 9. 3 . la esperada era de 50 con respecto a la salida del divisor de tensión paro como se puede constatar en la simulación de la figura *.: 498 Hz Figura 4: Simulación circuito emisor común [4]. Al realizarlo y normalizarlo se perdió ganancia.Universidad Nacional de Colombia. se usó el valor de beta (B) obtenido en la práctica anterior. Aún así.57 mA I(cd): 9.21 uA I(cd): -37. la acción de los condensadores no puede filtrar correctamente la señal porque ésta es tiene una frecuencia muy alta. en la práctica se tuvo que: 𝐴𝑖 = 𝑉𝑠𝑎𝑙 ⁄𝑍𝑠𝑎𝑙 324𝑚𝑉/(10𝐾||120) = 𝑉𝑒𝑛𝑡 ⁄𝑍𝑒𝑛𝑡 200𝑚𝑉/(40𝐾 + (6𝐾8||10𝐾)) = 0. Como se puede observar.63 mA Frec.2 con respecto al divisor de tensión. por lo que según la simulación: 𝐴𝑖 = 𝑉𝑠𝑎𝑙 ⁄𝑍𝑠𝑎𝑙 460𝑚𝑉/(10𝐾||220) = 𝑉𝑒𝑛𝑡 ⁄𝑍𝑒𝑛𝑡 200𝑚𝑉/(40𝐾 + (6𝐾8||10𝐾)) = 0. al realizar este procedimiento se obtuvieron las funciones de las figuras 7.85 V V(dc): 8.: 500 Hz R5 10kΩ V: 4.54 Figura 5: Datos obtenidos en simulación.95 mV V(p-p): 232 mV V(rms): 82. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal. Durante el diseño del amplificador. Por otro lado.1 nA Frec.1 mV V(dc): -371 uV I: 195 nA I(p-p): 23.9. Diciembre de 2014 XSC1 10V R3 6K8Ω XFG1 R1 120Ω R6 40kΩ Q2 100µF 100µF Punta2 2N2222A C1 Punta3 R4 10kΩ R2 510Ω _ B A + _ + _ C2 Punta1 C3 Ext Trig + V: 8.3 con respecto a la señal de entrada y de 32.: 500 Hz VCC 1000µF V: 1. Chaparro Arce. como se puede visualizar en la figura *.53 mA I(p-p): 1. se procedió a verificar la ganancia de corriente con los valores de tensión e impedancia de entrada y salida.86 V V(p-p): 232 mV V(rms): 8.94 mA I(rms): 9. la ganancia fue de 2.63 mA I(cd): 9.91 V V(p-p): 631 uV V(rms): 4. por lo que las señales de entrada y salida no se encuentran ni en fase.63 mA I(p-p): 1. como se puede apreciar en la figura 4.10 y 11. por cuestiones de conexión en la práctica se obtuvo una ganancia de 16.55 mA Frec. 13 y 14. se pueden observar los resultados de las figuras 12. donde se evidencia que al aumentar el valor de la resistencia. aumenta la impedancia de salida. lo que provoca el aumento en la tensión de salida y por ende. Esto ocurrirá hasta que la resistencia sea muy grande y provoque que el transistor salga de la zona activa y entre a la zona de saturación. Chaparro Arce. Al realizar este procedimiento. la ganancia del circuito. Diciembre de 2014 Figura 7: Curva de transferencia al variar la frecuencia Figura 10: Curva de transferencia al variar la frecuencia Figura 8: Curva de transferencia al variar la frecuencia Figura 11: Curva de transferencia al variar la frecuencia Para finalizar la caracterización de la configuración emisor común se reemplazó la resistencia del colector (120Ω) por un potenciómetro de 1KΩ y se procedió a variar la resistencia.Universidad Nacional de Colombia. Figura 9: Curva de transferencia al variar la frecuencia 4 . El transistor BJT como amplificador de pequeña señal. Chaparro Arce. Para comenzar esta parte del laboratorio se procedió a realizar el montaje propuesto de la figura 15. por lo que el circuito debería tener una ganancia en cuanto a corriente se refiere. Al igual que en el emisor común. al normalizar los valores de las resistencias se vio afectada la ganancia del circuito. Los cálculos se realizaron suponiendo valores de resistencias para R1 y RE según el análisis de ganancia donde: 1 𝑔𝑚 + 𝑅 𝜋 𝐴𝑉 = 1 1 1 𝑔𝑚 + 𝑅 + 𝑅 + 𝑅 𝜋 𝐸 𝐿 Figura 14: Gráfica al variar potenciómetro 2.7. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal.Universidad Nacional de Colombia. se basó en una ganancia de 0. El diseño del circuito. Figura 12: Gráfica al variar potenciómetro Figura 15: Circuito Colector común [4]. XSC1 VCC 10V R3 22kΩ XFG1 C3 R1 1kΩ Ext Trig + _ C2 + Q2 B A _ + _ 100µF Figura 13: Gráfica al variar potenciómetro 100µF 2N2222AC1 R4 100kΩ 470µF R2 220Ω R5 220Ω Figura 16: Simulación circuito Colector común. Diciembre de 2014 simulación de la figura 16. cuyos valores se encuentran en la De allí se puede deducir que la ganancia de tensión máxima del circuito es de 1. como se puede apreciar en la simulación 5 . una resistencia de carga de 220Ω con una impedancia de entrada equivalente al doble de la de salida del emisor común (20KΩ) y con una señal de entrada de 200mVp a una frecuencia de 500Hz y teniendo en cuenta el punto óptimo de polarización. Amplificador BJT en configuración colector común. Amplificador BJT en configuración multietapa (amplificadores en cascada) Para finalizar el laboratorio se procedió a realizar el montaje propuesto por la guía. a diferencia del emisor común que obtiene grandes ganancias de tensión y perdidas en corriente. siempre y cuando los condensadores tengan la impedancia suficiente para filtrar la señal respectiva. Según la formula especificada anteriormente de la ganancia del circuito. Como se puede observar en los datos obtenidos. se puede vislumbrar que la señal de salida estará en fase con la de entrada. se obtuvieron los resultados de las figuras 20 y 21 donde muestran las funciones en simulador y en la práctica. se puede decir que sus funcionamientos son inversos.68.812 𝑉𝑒𝑛𝑡 ⁄𝑍𝑒𝑛𝑡 200𝑚𝑉/20𝐾 Luego de unir los dos circuitos en cascada. Figura 16: Función obtenida en simulador. el colector común ofrece una gran ganancia en cuanto a corriente se refiere. Diciembre de 2014 de la figura 17 es de 0. se procedió a realizar la siguiente operación. VCC R3 6K8Ω XFG1 10V R1 120Ω C6 R6 C3 40kΩ 100µF Q2 R5 1kΩ Ext Trig + C4 _ B A + Q1 1000µF R2 510Ω R8 22kΩ _ + _ 100µF 100µF 2N2222A C1 R4 10kΩ XSC1 VCC 10V 2N2222AC2 R9 100kΩ 470µF R7 220Ω R10 220Ω Figura 19: Simulación circuito Colector común [4]. Figura 17: Función obtenida en Laboratorio Para obtener la ganancia de corriente Ai.273 𝑉𝑒𝑛𝑡 ⁄𝑍𝑒𝑛𝑡 200𝑚𝑉/20𝐾 𝐴𝑖 = 𝑉𝑠𝑎𝑙 ⁄𝑍𝑠𝑎𝑙 136𝑚𝑉/220 = = 61. en la figura 18 es de aproximadamente 0. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal. En otras palabras.74 y en el experimental. donde se empalman los circuitos de emisor y colector común en cascada según lo muestran las figuras 18 y 19. Figura 18: Circuito en cascada [4]. 3.Universidad Nacional de Colombia. Chaparro Arce. 6 . teniendo en cuenta los resultados simulados con los experimentales respectivamente: 𝐴𝑖 = 𝑉𝑠𝑎𝑙 ⁄𝑍𝑠𝑎𝑙 148𝑚𝑉/220 = = 67. Simulado 𝐴𝑉 = 𝑉𝑠𝑎𝑙 = 16.38 𝑉𝑒𝑛𝑡 Práctico 3. Diciembre de 2014 Como se puede vislumbrar. teniendo así un buen amplificador de potencia. ¿Qué función cumplen los condensadores y sus respectivos valores en las diferentes configuraciones de amplificación? Los condensadores tienen como función filtrar la señal.2 ∗ 0. Esto podría aplicarse en la amplificación de ondas de sonido en un parlante o en la amplificación de señales inalámbricas. Por otro lado. en el caso del emisor común se debieron asumir los valores de Rc Y R1 teniendo en cuenta los parámetros descritos para la guía.82 𝑉𝑒𝑛𝑡 . en el circuito del emisor común se observa que una señal de entrada es amplificada en forma de tensión y en la de colector común en forma de corriente. Figura 20: Gráfica obtenida en laboratorio. por lo que un amplificador de potencia óptimo sería la unión de los dos. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal. .82 = 33. Figura 21: Gráfica obtenida en simulador.236 𝐼𝑒𝑛𝑡 Simulado 𝐴𝑉 = 𝑉𝑠𝑎𝑙 = 0. en ambas configuraciones el valor del condensador conectado a la carga es el de mayor valor porque de éste depende que la señal de salida se encuentre en fase o en contrafase con la de entrada dependiendo el circuito. ¿Las impedancias de entrada/salida de los amplificadores pueden modificar la ganancia del circuito cascada?. Chaparro Arce. ¿Cómo? 7 . 4.2 ∗ 0. en términos énfasis en sus ventajas.74 = 23. PREGUNTAS SUGERIDAS 1.23 = 28.68 = 11. La potencia amplificada por ambos circuitos hace que las desventajas de uno sean las ventajas del otro. ¿Qué parámetros de arranque tuvo que asumir para iniciar el diseño de amplificadores? Como ya se ha mencionado en el informe. los datos experimentales son muy similares a los teóricos. Describa cada una de las configuraciones amplificación. todo esto teniendo el beta encontrado en la práctica anterior. Como ya se ha mencionado. Las respectivas ganancias de tensión y corrientes simuladas y experimentadas se tienen representadas respectivamente por: 𝐴𝑉 = 𝑉𝑠𝑎𝑙 = 32.02 𝑉𝑒𝑛𝑡 Práctico 𝐴𝑖 = 𝐼𝑠𝑎𝑙 = 0. 2.Universidad Nacional de Colombia. desventajas y posibles aplicaciones.54 ∗ 61. para el circuito del colector común se debieron asumir los valores de RE Y R1.42 ∗ 67. VI. como se vislumbró al poner el potenciómetro en el circuito del emisor común. Chaparro Arce. Queda evidenciado que al usar frecuencias con grandes amplitudes. VII.Universidad Nacional de Colombia. el cambio de la resistencia en el colector del circuito de emisor común modifica la ganancia en cuanto a tensión se refiere hasta que el transistor entre en zona de saturación o zona de corte dependiendo en la magnitud de la resistencia del componente. el transistor no funcionará correctamente y entrará en zona de saturación. lo que podría ayudar en gran medida a la implementación en circuitos como el relacionado al proyecto final. la ganancia de tensión aumentaba conforme el valor de la resistencia hasta que entraba en zona de saturación. ¿Cómo puede esta práctica ayudar al desarrollo de su proyecto de fin de semestre? Analizando los resultados de la práctica de laboratorio se pudo inferir que esta configuración en cascada podría ser bastante útil para la amplificación del pulso cardiaco. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal. 8 . Como ya se ha hablado anteriormente. Diciembre de 2014 Si. Es necesaria una amplificación de tensión para vislumbrar en el osciloscopio la señal de las pulsaciones y una de corriente para la conexión del parlante. 6. Dado esto si cambia la impedancia de salida. 5. La ganancia que generan los transistores de unión bipolar BJT son representativamente mucho mayores a las del Mosfet. la ganancia también cambiará. ¿Qué puede concluir al hacer la variación de la resistencia del colector en el montaje de la figura 1?. en términos de variación de ganancia e impedancias. 2. debida a que cada uno de los circuitos se especializa en la ganancia ya sea de tensión o de corriente. ¿A qué atribuye el hecho de que las ganancias no hayan sido exactas? Es posible que las ganancias no hayan sido exactas debido a la normalización en los valores de las resistencias usadas durante el laboratorio. 3. La implementación en cascada de los dos circuitos propuestos para esta guía proporcionan al determinado circuito una ganancia de potencia muy grande. CONCLUSIONES 1. 7. 5rd ed. US: Oxford University Press. Microelectronic Circuits Revised Edition. New York. 2th Ed. Sedra and K. Chaparro Arce. BIBLIOGRAFÍA [1] A. análisis y diseño. Electrónica análoga 1. [3] Chaparro A. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal. Diciembre de 2014 VIII. Circuitos Microelectrónicos. 2000. Universidad Nacional de Colombia.Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. 2014 II. Rashid. El transistor BJT como amplificador de pequeña señal. Colombia: Universidad Nacional de Colombia. Inc. Navarro Salas. 2014 III. 2007. Bogotá. raducción. Notas de clase Electrónica Análoga I. US: Universidad de Florida. Profesor Pablo Rodríguez. Daniel F. International Thomson Editores. 9 . Colombia. [2] Muhammad H. Smith. [4] Tarquino Jonnathan Steve.