PRÁCTICA 13. CIRCUITO AMPLIFICADOR MONOETAPA CON BJT

Prácticas Circuitos Electrónicos. 2ºT
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PRÁCTICA 13. CIRCUITO AMPLIFICADOR MONOETAPA CON BJT
1. Objetivo
Se pretende conocer el funcionamiento de un amplificador monoetapa basado en un
transistor BJT Q2N2222.
2. Material necesario
Se necesita el siguiente material:
1. Ordenador personal con software MicroCAP 9
2. Recordar cómo se contruye y simula un circuito en MicroCAP, así como la
visualización de tensiones y/o corrientes del circuito simulado
3. Conocimientos del comportamiento de los transistores BJT
3. Conocimientos previos
Se va a simular el montaje de amplificador con BJT Q2N2222 en emisor común de la
Figura 1 donde el nodo de salida del circuito es el colector del transistor. En el circuito de
la Figura 1, el condensador Ci desacopla la componente de continua de la señal de
entrada del circuito de polarización del transistor. Los condensadores, en régimen de gran
señal equivalen a circuitos abiertos. De este modo, Ci y Co desacoplan el amplificador de
la entrada y la salida en continua (desconectan el amplificador de Vi y lo aíslan de lo que
esté conectado al nodo de salida). Por otro lado, en régimen de pequeña señal, los
condensadores equivalen a cortocircuitos. El condensador de emisor Ce es útil en este
régimen de operación ya que elimina la resistencia de emisor aumentando con ello la
ganancia en tensión del amplificador. Sin embargo, la resistencia de emisor Re es
necesaria en régimen de gran señal para estabilizar el punto de operación del circuito.
Figura 1. Circuito amplificador en emisor común
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Teniendo esto en cuenta, para el cálculo del punto de polarización el circuito de la Figura
1 puede ser simplificado y se representa en la Figura 2.
Figura 2. Circuito de polarización del amplificador en emisor común
Las relaciones que modelan el punto de operación o punto de polarización del circuito
son:
=
=
=
−
+
+
+
Para el cálculo de la ganancia en tensión del amplificador se habrá de analizar el circuito
de pequeña señal utilizando para el transistor su circuito equivalente simplificado. El
circuito de pequeña señal correspondiente al amplificador en estudio se muestra en la
Figura 3.
Figura 3. Modelo de pequeña señal del amplificador en emisor común
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Para conocer la respuesta en frecuencia de un determinado circuito se suele acudir a
dibujar el denominado diagrama de Bode. Es una herramienta muy utilizada en el
análisis de circuitos en electrónica, siendo fundamental para el diseño y análisis de filtros
y amplificadores. 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 en escala logarítmica. La magnitud
de una variable x expresada en decibelios no es más que calcular 20 log(x). Sobre el
diagrama de Bode de magnitud se pueden definir las frecuencias superior e inferior de
corte del sistema que son las frecuencias (inferior y superior) en las que la magnitud cae 3
decibelios con respecto a su valor máximo.
El diagrama de fase de Bode representa la fase de la función de transferencia en función
de la frecuencia 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.
Para representar el diagrama de Bode en MicroCAP 9, se debe realizar un análisis AC del
circuito y representar la magnitud en decibelios y la fase del nodo de salida. Así, si por
ejemplo el nodo de salida es el nodo 5, se representarán vdb(v(5)) y ph(v(5)).
4. Realización de la práctica
La práctica se divide en dos partes bien diferenciadas. La primera de ellas estudia la
polarización del transistor en emisor común con resistencia de emisor. En la segunda
parte estudiaremos la amplificación conseguida con dicho circuito.
4.1
Polarización del circuito
En este apartado se pretende situar el transistor en zona activa para que el circuito
funcione como un amplificador.
Tabla I. Variables del circuito amplificador en emisor común con resistencia de emisor
§
§
§
Transistor npn
2n2222a
R1
R2
RC
RE
Ri
RL
Ci, Co
CE
VCC
47 kW
10 kW
6.8 kW
2.2 kW
50 W
10 MW
220 nF
10 mF
10 V
Simulando el circuito en MicroCAP con los valores de la Tabla I, encuentre el punto
de polarización (IB,VBE) del circuito. (0.5 puntos)
Encontrar el valor de b que ha usado el simulador para hacer los cálculos. (0.5
puntos)
Simulando el circuito en MicroCAP, modifique el valor de la resistencia R2 acorde
con los valores indicados en la Tabla B de la hoja de resultados. Para cada valor
obtenga sucesivamente los valores de las tensiones VBE y VCE, las corrientes IC e
IB. Gracias a estos valores, se debe deducir el estado de funcionamiento del
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transistor BJT. Para realizar estas simulaciones de forma rápida, se aconseja usar
la función stepping del análisis transitorio y, tras realizar la simulación, pulsar F5
para obtener la información del resultado. Rellene la Tabla B. (1.5 puntos)
4.2
Amplificación en emisor común de una señal
En el apartado anterior se han visto diferentes puntos de polarización del circuito. Ahora
vamos a quedarnos en uno concreto y a amplificar una señal de entrada. La señal de
entrada es de tipo sinusoidal de 20mV de amplitud y 10kHZ de frecuencia.
§ El punto de polarización elegido es el que hace que la tensión VCE sea
aproximadamente 6 voltios. Obtenga mediante simulaciones el valor de R2 que
cumple esta condición. Indique el valor en la hoja de resultados. (0.5 puntos)
4.2.1 Análisis AC del circuito
§
Realizar un análisis AC haciendo un barrido de frecuencias entre 1Hz y 100MHz.
Tomar como nodo de salida del circuito el colector del transistor. Dibujar en
MicroCAP el diagrama Bode (respuesta en magnitud y fase del circuito). Mida la
ganancia y el desfase del circuito a 10kHz y la frecuencia inferior y superior de
corte. Indique los resultados en la hoja de resultados. (1.5 puntos)
4.2.2 Respuesta transitoria
§
§
4.3
§
§
Realizar un análisis transitorio del circuito con los valores indicados en la Tabla I.
Comprobar que la ganancia y el desfase obtenido a la salida con una señal de
entrada de 10kHz coincide con los resultados correspondientes obtenidos
mediante el análisis AC. Rellene la Tabla D de la hoja de resultados. (1 punto)
Medir la respuesta del circuito para distintas frecuencias (50Hz, 500Hz, 10kHz,
100kHz, 500kHz, 1MHz, 5MHz y 10MHz). Rellene la tabla E de la hoja de
resultados. (2.5 puntos)
Otros efectos
Comprobar qué efecto tiene la variación del valor del condensador de emisor Ce.
Para ello, primero realizar un análisis AC con Ce=10mF, luego realizar el mismo
análisis con Ce=10pF y finalmente eliminar del circuito el condensador Ce. En
cada caso, indicar la ganancia obtenida para 10kHz en la tabla E de la hoja de
resultados. (0.5 puntos) ¿Por qué los resultados obtenidos cambian? (0.5 puntos)
Eliminando el condensador de emisor Ce del circuito, comprobar la influencia de la
resistencia de carga RL. Para ello, realizar un análisis AC del circuito con los
valores de RL indicados en la tabla F de la hoja de resultados. (0.5 puntos) ¿Por
qué los resultados obtenidos cambian? (0.5 puntos)
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HOJA DE RESULTADOS
I.
Polarización del circuito
Tabla A. Valores del punto de polarización a obtener (1 punto)
Valor de
simulación
Variables
VCC
VCE
VBE
IC
IB
b
10 V
Tabla B. Valores de tensiones y corrientes para diferentes valores de R2 (1.5 puntos)
R2 (kW)
VCE (V)
VBE (mV)
IC
IB
Estado del
BJT
1
6
11
16
26
II. Análisis AC
Valor de R2 para que VCE sea 6 voltios……………………. R2=
(0.5 puntos)
Dibujar la ganancia en dB y desfase en grados del circuito. Indicar claramente la ganancia
y el desfase a 10kHz. Medir la frecuencia inferior y superior de corte (1.5 puntos)
Frecuencia inferior de corte:
Frecuencia superior de corte:
Ganancia(dB) a 10kHz:
Desfase(º) a 10kHz
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III. Respuesta transitoria
Tabla C. Valores de ganancia y desfase obtenidos
para 10kHZ de frecuencia de la señal de entrada (1 punto)
Ganancia y desfase para 10kHZ de
frecuencia de señal de entrada
Valores de
simulación AC
Valor de simulación
transitoria
Ganancia (dB)
Desfase en grados
Tabla D. Ganancia y desfase para varias frecuencias de la señal de entrada (2.5 puntos)
Frecuencia
Resultados del análisis AC
Resultados del análisis transitorio
Ganancia (dB)
Ganancia (dB)
500Hz
5kHz
10kHz
100kHz
400kHz
1MHz
IV. Otros efectos
Tabla E. Influencia de CE en la ganancia del circuito (0.5 puntos)
Ce
Ganancia (dB) a 10kHz
10 mF
10 pF
sin Ce
Explicar los resultados de la tabla E (0.5 puntos)
Tabla F. Influencia de RL en la ganancia del circuito (0.5 puntos)
RL
Ganancia (dB) a 10kHz
10 MW
10 kW
2 kW
Explicar los resultados de la tabla F (0.5 puntos)
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