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ch

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Co

rr

ea

, M

Sc

.

Diseo de un amplificador de pequea seal con transistor BJT.

Por: Danny Ochoa Correa. Introduccin: Para realizar un correcto diseo, se requieren de varias iteraciones y paciencia.

1) Informacin disponible

El transistor BJT 2N3904 (NPN) se encuentra disponible en el mercado local, por tanto, ser utilizado para este estudio. Los datos proporcionados por el fabricante suelen ser de gran utilidad, pues permite disponer de informacin de primera mano para la fase de diseo. Sin embargo, es sabido que los parmetros indicados en aquel documento fueron obtenidos experimentalmente en condiciones particulares. Siempre es recomendable determinar estos parmetros in-situ, pues fenmenos trmicos, informacin de diferentes fabricantes, pueden distar de su funcionamiento real. De acuerdo con la informacin proporcionada por FAIRCHILD-Semiconductor:

Tabla 1. Datos del transistor 2N3904.

A continuacin, se corroborar experimentalmente estos parmetros y se obtendr la curva de caractersticas.

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Sc

.

Usando la herramienta DC-Sweep de NI-Multisim, se proceder a graficar las caractersticas V-I del transistor, para valores de IB comprendidos entre 0-100uA y VCE desde 0 hasta 10V. Ntese que estos rangos se encuentran muy alejados de los lmites mximos de funcionamiento, lo cual es deseable, a fin de salvaguardar la integridad del dispositivo.

Figura 2. Esquema de prueba implementado en NI-Multisim.

Figura 3. Caractersticas VI del transistor 2N3904.

2) Establecer el punto de operacin en CC (Q) En primera instancia, se debe establecer un adecuado punto de funcionamiento. Como se haba estudiado en clases, para aplicaciones de amplificacin, este punto debe garantizar una amplificacin libre de distorsin, es decir, que en su funcionamiento en CA el punto no entre ni en corte ni en saturacin. En la figura 3, se ha remarcado un punto en donde, para una IB=60uA y un VCE=4V se tiene una IC=10mA. Estos parmetros definirn el punto Q de este diseo. Es

Q1

2N3904

IB

1uA

VCE1 V

IB=0A

IB=20A

IB=40A

IB=60A

IB=80A

IB=100A

Punto Q

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, M

Sc

.

importante aclarar que, en realidad, se puede tomar cualquier punto de las caractersticas y que ste es un ejemplo en particular. Por fines de verificacin, se somete al transistor a estas condiciones de operacin y se miden sus principales variables (figura 4).

Figura 4. Medicin de los parmetros que definen el punto Q.

Parmetro Medidor Valor

IC U2 9.972mA IB U1 60uA

VBE U3 0.728V

VCE U4 4V

Tabla 1. Parmetros que definen el punto Q. Ampliando la visualizacin de la figura 3, se determina el factor de amplificacin de corriente, , y la resistencia de salida del transistor, ro (Ver figura 5).

Q1

2N3904IB60uA

VCE4 V

U1

0.060m A+ -

U29.972m A+

-

U30.728 V+

-

U44.000 V+

-

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.

Figura 5. Determinacin de y ro.

10166.6

60

CQ

BQ

I mA

I A

167

10.08 10

4.6 4

C

CE

I mA mAm

V V V

0

1133C

CE

Im S

V r

0 7.5r k

Las reflexiones que se pueden hacer hasta este instante son: que beta se encuentra dentro del rango que garantiza el fabricante, y que para este punto de operacin, el valor de conductancia de salida del transistor se encuentra muy por encima del especificado hoe=40uS.

3) Seleccin del circuito de polarizacin y anlisis en CC. Dado que, beta es un parmetro muy importante y sensible del transistor BJT, se usar el circuito de polarizacin por divisor de tensin (Figura 6), dada sus excelentes prestaciones al garantizar un punto de operacin estable ante cambios de beta debido a los cambios de temperatura.

IC=10mA

VCE=4V

Punto Q

IC=10.08mA

VCE=4.6V IB=60A

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Figura 6. Circuito de polarizacin por divisor de tensin.

Se asume un valor de 24V para el diseo de la fuente de CC. Una vez ms se hace nfasis en que se podra utilizar cualquier otro valor comercialmente disponible. A continuacin, se determinarn sus parmetros. Las deducciones de las ecuaciones correspondientes se dedujeron en clases.

Datos de diseo:

VCC=24V ICQ=10mA VCEQ=4V

IBQ=60uA VBEQ=0.7V

De la malla colector-emisor se tiene que:

CE CC C C EV V I R R

4 24 10 C EV V mA R R

2C ER R k

Ahora, se distribuye este valor a las resistencias teniendo en cuenta que la ganancia de tensin en CA, AV, es directamente proporcional a la resistencia RC. Si se desea obtener un alto valor de AV, se asignar mayor resistencia a RC que a RE.

Asumiendo 1.8CR k , la resistencia de emisor ser: 200ER .

R1

R2

RC

RE

VCC

Q2

2N3904

C1

C2

C3

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.

De la malla base-emisor se tiene que:

1th BE

B

th E

E VI

R R

Donde: 2

1 2

th CC

RE V

R R

y 1 2

1 2

th

R RR

R R

Realizando un manejo adecuado de las ecuaciones anteriores se obtiene:

2

1 2

1 2

1 2

1

CC BE

B

E

RV V

R RI

R RR

R R

2

1 2

1 2

1 2

24 0.7

60

200 167 1

RV V

R RA

R R

R R

Asumiendo 1 10R k , y despejando R2:

2 1.32R k

Encontrados estos datos, se determina Eth:

1.3224 2.78

10 1.32th

kE V V

k k

Ya con el diseo del circuito de polarizacin en CC listo, se procede a simularlo para verificar el valor de las variables de inters.

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Sc

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Figura 7. Circuito de polarizacin CC por divisor de tensin simulado en NI-Multisim.

Parmetro Diseo Medido Error

relativo

IC (mA) 10 9,948 0,52%

IB (uA) 60 60 0,00%

VCE (V) 4 4,094 2,35%

Eth (V) 2,78 2,729 1,83%

Tabla 2. Comparacin entre parmetros esperados y medidos. La tabla 2 muestra que el diseo es correcto, y se puede continuar con el anlisis de pequea seal.

4) Anlisis de pequea seal en CA (Sin carga).

Se procede a determinar la ganancia de tensin, AV, que tendra el circuito en estudio. Para ello, primero se determina la resistencia de emisor, del modelo re. La deduccin de las ecuaciones se realiz en clases.

26 26 26

1 167 1 60e

E B

mV mV mVr

I I A

2.6er

/ / 1.8 / /7.52.6

C o

v

e

R r k kA

r

558vA

R110k

R21.32k

RC1.8k

RE200

VCC

24V

U19.947m A+

-

U24.095 V+

-

U3

0.060m A+ -

U72.729 V+

-

Q2

2N3904

Da

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, M

Sc

.

1 2

1 2

/ /

/ /

o

i

C o e

r R RA

R r R R r

98.14iA

Para el correcto acondicionamiento de las seales de entrada y salida, se disean los condensadores de acoplamiento y desacoplamiento para garantizar un punto Q estable en el emisor. Se considerar que la seal a amplificar, es una seal de audio (sinusoidal) de amplitud 1mV y con frecuencia 10kHz.

1 2/ / / / 10 / /1.32 / / 167 2.6i eZ R R r k k

10 / /1.32 / / 167 2.6iZ k k

316.4iZ

Condensador de acoplamiento, C1 (de acuerdo a la recomendacin de P. Malvino):

10.1C iX Z

110 10

2 2 10 316.4iC

fZ kHz

1 0.5C F

Por tanto, para la implementacin se tomar un C1=10uF. Debido a que no se dispone de resistencia de carga, el valor tomado para C1 sera ms que suficiente para acoplar la seal amplificada en la salida C2=C1=10uF. Condensador de desacoplamiento, CE (recomendacin de P. Malvino):

0.1EC thE

X R

Por tanto, previamente se debe determinar la resistencia de Thvenin vista desde los terminales de la resistencia de emisor:

/1 1 1

/ /

o e

thE E o C e E e

r r

R R r R r R r

3.2thER

10

2 10 3.2EC

kHz

50EC F

Por tanto, para la implementacin se tomar un CE=50uF para garantizar un adecuado desacoplamiento de la seal de CA del emisor.

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Ahora bien, se aplica una seal senoidal de 10kHz de amplitud 1mVpp en la entrada de la configuracin para validar el diseo realizado.

Figura 8. Preampificador de audio simulado en NI-Multisim.

Figura 9. Seales a la entrada (color naranja) y a la salida (color verde) del

preamplificador.

Parmetro Diseo Medido Error

relativo

AV -558 -483 12.7%

Ai 98.14 95 3.2%

Zi () 316 351 11%

Tabla 3. Comparacin entre parmetros esperados y medidos.

R110k

R21.32k

RC1.8k

RE200

VCC

24V

U19.947m A+

-

U24.094 V+

-

U3

0.060m A+ -

U72.729 V+

-

Q2

2N3904V1

1mVpk

10kHz

0

C1

10uF

C2

10uF

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

C350uF

U4

2.010u A+ -

U50.707m V+

-

U60.345 V+

-

U80.191m A+

-

U9

1.416u A+ -

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5) Anlisis de pequea seal en CA (Con carga).

TAREA: Realizar el mismo anlisis (puntos 1-4) conectando una carga de 330 a la salida del preamplificador.

R110k

R21.32k

RC1.8k

RE200

VCC

24V

U19.947m A+

-

U24.094 V+

-

U3

0.059m A+ -

U72.729 V+

-

Q2

2N3904V1

1mVpk

10kHz

0

C1

10uF

C2

10uF

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

C350uF

U4

2.008u A+ -

U50.707m V+

-

U60.063 V+

-

U80.036m A+

-

U9

1.410u A+ -

RL330