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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA – SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y AUTOMÁTICA LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANÁLOGA II PRÁCTICA 3 – El Transistor BJT Como Amplificador - Pequeña Señal INTRODUCCIÓN: En el desarrollo de esta práctica se observará experimentalmente el comportamiento del transistor bipolar BJT como amplificador, mediante el diseño, desarrollo e implementación de dos amplificadores básicos mono etapa (Emisor Común y Colector común o seguidor de emisor) y se observará el comportamiento en acople multietapa considerando las condiciones de operación de pequeña señal. Se establecerán criterios para el análisis de corriente continua DC, elección de las polarizaciones para definir el punto de operación Q, análisis del circuito en AC utilizando los modelos de pequeña señal del transistor BJT y determinación de las características fundamentales de los amplificadores. OBJETIVOS: • Comprobar experimentalmente el funcionamiento del transistor bipolar como amplificador de pequeña señal en región activa. • Observar el comportamiento experimental de los amplificadores mono etapa y de dos etapas • Caracterizar experimentalmente algunas de las propiedades de los amplificadores. 1. ANTECEDENTES: Una de las condiciones fundamentales para la operación del transistor como amplificador es que, de acuerdo con la polarización del transistor de base emisor (Directa) y de base colector (Inversa), éste se encuentre operando en la región activa. El problema de polarización consistirá en establecer una corriente constante continua en el colector que debe ser predecible e insensible a variaciones de temperatura y del valor β. Para el análisis de este tipo de circuitos se requiere evaluar dos condiciones fundaménteles: 1.1 ELECCIÓN DEL PUNTO DE OPERACIÓN Q: El punto de operación Q de un transistor define la región de operación de acuerdo a la polarización de sus terminales. Para los amplificadores, éste punto de operación debe ser escogido de tal manera que al polarizar el transistor, éste se encuentre en la región activa. Para ello se elige la polarización que va a tener el amplificador, la cual debe estar acorde con las características de la fuente de polarización, de la amplitud de las señales de salida y principalmente con las limitaciones de voltaje y corriente que tenga el dispositivo. Una vez definido este voltaje se debe escoger una resistencia de colector considerando las características del amplificador que se desee diseñar y las limitaciones de la corriente máxima de colector, de acuerdo con esto, es posible trazar la recta de carga como se observa en la Ilustración 1 y a partir de ella escoger un punto de polarización sobre ésta, cabe de notar que esta recta define el comportamiento del punto de polarización con las variaciones de la resistencia de colector. Una vez definida dicha recta, se puede usar algún criterio empírico para la determinación de dicho punto. Un criterio muy utilizado consiste en elegir el punto de polarización sobre la mitad de la recta de carga haciendo que /2 o un valor aproximado, con ello determina la corriente de base y la respectiva corriente de colector de polarización como se indica en la Ilustración 1.
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DEPARTAMENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y AUTOMÁTICA LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANÁLOGA II
PRÁCTICA 3 – El Transistor BJT Como Amplificador - Pequeña Señal
INTRODUCCIÓN:
En el desarrollo de esta práctica se observará experimentalmente el comportamiento del transistor bipolar BJT como
amplificador, mediante el diseño, desarrollo e implementación de dos amplificadores básicos mono etapa (Emisor Común y
Colector común o seguidor de emisor) y se observará el comportamiento en acople multietapa considerando las condiciones
de operación de pequeña señal. Se establecerán criterios para el análisis de corriente continua DC, elección de las
polarizaciones para definir el punto de operación Q, análisis del circuito en AC utilizando los modelos de pequeña señal del
transistor BJT y determinación de las características fundamentales de los amplificadores.
OBJETIVOS:
• Comprobar experimentalmente el funcionamiento del transistor bipolar como amplificador de pequeña señal en
región activa.
• Observar el comportamiento experimental de los amplificadores mono etapa y de dos etapas
• Caracterizar experimentalmente algunas de las propiedades de los amplificadores.
1. ANTECEDENTES:
Una de las condiciones fundamentales para la operación del transistor como amplificador es que, de acuerdo con la
polarización del transistor de base emisor (Directa) y de base colector (Inversa), éste se encuentre operando en la región
activa. El problema de polarización consistirá en establecer una corriente constante continua en el colector que debe ser
predecible e insensible a variaciones de temperatura y del valor β.
Para el análisis de este tipo de circuitos se requiere evaluar dos condiciones fundaménteles:
1.1 ELECCIÓN DEL PUNTO DE OPERACIÓN Q:
El punto de operación Q de un transistor define la región de operación de acuerdo a la polarización de sus terminales. Para los
amplificadores, éste punto de operación debe ser escogido de tal manera que al polarizar el transistor, éste se encuentre en la
región activa. Para ello se elige la polarización ��� que va a tener el amplificador, la cual debe estar acorde con las
características de la fuente de polarización, de la amplitud de las señales de salida y principalmente con las limitaciones de
voltaje y corriente que tenga el dispositivo.
Una vez definido este voltaje se debe escoger una resistencia de colector considerando las características del amplificador que
se desee diseñar y las limitaciones de la corriente máxima de colector, de acuerdo con esto, es posible trazar la recta de carga
como se observa en la Ilustración 1 y a partir de ella escoger un punto de polarización sobre ésta, cabe de notar que esta recta
define el comportamiento del punto de polarización con las variaciones de la resistencia de colector.
Una vez definida dicha recta, se puede usar algún criterio empírico para la determinación de dicho punto. Un criterio muy
utilizado consiste en elegir el punto de polarización sobre la mitad de la recta de carga haciendo que ���� � ���/2 o un valor
aproximado, con ello determina la corriente de base � y la respectiva corriente de colector de polarización ��como se indica
en la Ilustración 1.
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PRÁCTICA 3 – El Transistor BJT Como Amplificador - Pequeña Señal
Recta de carga
2/CCCEQ VV =
CQI
BQ
CQQ I
I=β
BQI
BQCQEQ III +=
Ilustración 1. Selección del Punto de Polarización o Punto Q.
Con lo anterior se pueden determinar otros parámetros como la ganancia de corriente ��, la corriente de emisor ��, los
cuales, junto con las coordenadas del punto �, servirán para determinar los parámetros de polarización, de los modelos de
pequeña señal y del amplificador.
1.2 ANÁLISIS EN DC:
Condiciones de polarización o análisis DC: consiste en encontrar condiciones de polarización de tal manera que el transistor
opere en región activa y éste se encuentre en una región aproximadamente lineal. Para ello en el análisis de un amplificador se
debe:
Encontrar un circuito equivalente en DC, para ello:
• Remplace los capacitores por circuitos abiertos (Recuerde la relación corriente voltaje en un capacitor dada
por � ��
�� con voltaje constante resulta en � 0)
• Remplace los inductores por cortocircuitos (Recuerde la impedancia de un inductor |��| � �� con � � 0 entonces
|��| → 0)
Tomando como ejemplo el circuito amplificador emisor común de laIlustración 2, éste se encuentra polarizado por el divisor de
tensión de las resistencias de base ��, ��, dado que hay corriente de entrada en la base, es necesario simplificar el análisis
hallando el equivalente Thevenin en la base del transistor para ello determine:
• La resistencia equivalente de thevenin ��� � ��||��
• La fuente de voltaje equivalente de thevenin ��� ���
�� �!���
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PRÁCTICA 3 – El Transistor BJT Como Amplificador - Pequeña Señal
Ilustración 2 Amplificador Emisor Común
Con lo anterior, se puede determinar las relaciones de corriente y voltaje del punto Q con el fin de obtener las resistencias que
permitan fijar la polarización en el punto Q. para ello analizando el circuito de la Ilustración 3. C), donde se puede definir:
• ��� � ���� " ���� "���� dado que se conocen las coordenadas del punto Q y se había definido �� a partir de ésta
expresión se puede encontrar ��
• ��� � ���� " �#$ " ���� donde �#$ % 0.7�para un transistor de silicio (preferiblemente consulte el datasheet
del transistor), observe que con ��� y ��� las resistencias �� y �� son incógnitas, para solucionar esta trivialidad, se
puede escoger un resistor �� ó �� y despejar el valor de la resistencia faltante. Otra forma es armar un sistema de
ecuaciones con uno de los parámetros del amplificador en AC.
Diseño Utilizando Método Indirecto:
Para el método indirecto es necesario conocer las coordenadas del punto de polarización de tal manera que con ellas se
permita determinar las resistencias que componen el circuito, para ello:
• Determine las coordenadas del punto de polarización Q como se indicó en laIlustración 1
• Determine el valor de �� ��
�(���
• Con ello encuentre el valor de la resistencia en emisor dado que �� ��)*
+*,�
�*
+*,
• Determine la resistencia de Colector: para ello �� ��)-
+-, Donde �.. � ��� " ���� " �� → ��� � ��� / ���� / ��
• Dado que �� � � / �� determine � ��� " �� (el ��corresponde al de transistor típicamente 0.7V)
Para determinar las resistencias en la base:
• �� 1�
�(����
• � ���
�� �!��� Despeje ��
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PRÁCTICA 3 – El Transistor BJT Como Amplificador - Pequeña Señal
A B
+
-
+
-BQI
CQI
EQI
beV
CEQV
C
Ilustración 3 Circuito Equivalente Análisis DC, A) DC Aplicando las condiciones, B) DC Equivalente, C) Circuito de análisis.
1.3 ANÁLISIS AC:
Se realiza para establecer el comportamiento de un circuito frente a una señal de entrada variable en el tiempo, para ello se
debe:
1. Encontrar el circuito equivalente AC:
• Remplazando los capacitores por cortocircuitos (Recuerde la impedancia característica del capacitor |��| � 1/� con
incrementos de la frecuencia |��| → 0)
• Remplazando los inductores por circuitos abiertos.
• Apagando las fuentes DC:
o Apagar una fuente de voltaje DC consiste en remplazarla por un corto circuito.
o Apagar una fuente de corriente DC consiste en remplazarla por un circuito abierto.
Para el circuito de la Ilustración 2, el circuito equivalente AC corresponde al de la Ilustración 4 A) y B).
2. Remplazar los transistores por su modelo equivalente en pequeña señal:
• Utilice un modelo equivalente de pequeña señal (Hibrido 3 o hibrido T)
• Calcule los parámetros del modelo usando los valores del punto de polarización. Para el modelo de pequeña señal de
la Ilustración 4 C):
o Resistencia de entrada 45 � ���6
+-, donde algunos autores definen 4$ �
�6
+-,,
o �� Es el voltaje térmico, �� �7�8
9 A una temperatura ambiente típica de 25º C �� % 25.8<�
� Constante de Boltzman = � 1.3806@10A�BC/°E
� FGTemperatura en grados Kelvin FG � 273 " F�$HIJKI
� L � 1.6022@10A�M
o Transconductancia: NO �+-,
�6
o Resistencia de salida:4P ��Q �-*,
+-, donde �R corresponde a un voltaje debido al efecto Early.
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PRÁCTICA 3 – El Transistor BJT Como Amplificador - Pequeña Señal
Modelo de Pequeña Señal
π
π
b
e
c
bc
e
+
-
VbeA B
C
D
+
-Vbe
+
-
Vi
Ii
Io
+
-
Vo
Ilustración 4 Análisis AC, A) Circuito equivalente, B) Circuito AC simplificado, C) Modelo Transistor Pequeña Señal, D) Circuito Equivalente Aplicando el Modelo de Pequeña Señal
3. Encontrar los parámetros del amplificador. Partiendo del circuito equivalente AC.
La ganancia de voltajeST: Es la relación de amplificación o ganancia del amplificador donde:
• |UV| W 1 Se considera que la señal en la salida es de mayor amplitud que la entrada,
• |UV| � 1 se considera que el amplificador es un seguidor de tensión o de voltaje
• |UV| X 1 el amplificador es un atenuador, es decir la señal en la salida es de menor amplitud que la entrada.
• Un signo negativo en la ganancia indica que la señal de entrada respecto a la de salida se encuentra desfasada 180º
Para propósitos de análisis encontrar la ganancia consistirá en encontrar una expresión que relacione la señal de entrada con
la salida, tomando como ejemplo el circuito de la Ilustración 2:
UV � /NOY��‖��‖45[Y��‖��‖4P[
Y��‖��‖45[ " �I
Impedancia de entrada \]: Se interpreta como la impedancia “vista” por la fuente, consiste en la impedancia equivalente en la
entrada del amplificador, se obtiene calculando la resistencia equivalente en la entrada del amplificador sin tener en cuenta la
fuente a la entrada ni su resistencia �^ y haciendo la resistencia de carga un corto circuito.
�J � ��‖��‖45
Impedancia de salida \_:Consiste en la impedancia vista desde la carga, se obtiene calculando la resistencia equivalente en la
salida sin tener en cuenta la resistencia de carga y haciendo la fuente de señal corto circuito.
�P � ��‖4P
Los parámetros anteriores pueden ser simplificados asumiendo que la 4P es mucho mayor que las resistencias de carga y/o
colector.
2. PREINFORME:
Establezca el punto de operación Q para un transistor 2n2222, a partir de las gráficas obtenidas utilizando el trazador de curvas
o en su defecto definirlo con datos obtenidos de curvas trazadas por simulación (Incluya éstas graficas indicando las
coordenadas del punto Q y trace la recta de carga). Para establecer dicho punto defina el voltaje de polarización Vcc de su
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PRÁCTICA 3 – El Transistor BJT Como Amplificador - Pequeña Señal
circuito y un valor para la corriente de colector de acuerdo con la tabla 1 (estos valores son tomados de acuerdo a las
características físicas del transistor). Determine el valor de ���� y sobre este voltaje a partir de la corriente de colector
definida ��, busque el valor de la corriente de colector en las curvas características y con ella determine la curva que más se
aproxime y defina � y `a$� � ��
Teniendo en cuenta los datos anteriores, realice el análisis DC para los amplificadores emisor común y colector común de las
ilustraciones 5 y 6 respectivamente (Observe que para ambos circuitos los equivalentes DC son iguales), determine: los valores
de las resistencias ��, ��, �� , �� usando método indirecto.
Una vez lo anterior realice el análisis AC (Incluya el análisis para el seguidor de emisor), considere �^ � 75Ω como resistencia
de salida del generador, determine los parámetros de los Amplificadores (Impedancia de entrada, impedancia de salida y
ganancia) y determine el valor de RL de tal manera que para el amplificador emisor común su ganancia de voltaje sea la
correspondiente a la tabla 1.
Con la información anterior determine la ganancia total si se realiza una cascada entre Seguidor emisor y Emisor común, y
determine cual debe ser su impedancia de entrada equivalente y la de salida correspondiente.
Realice la simulación de ambos circuitos y por simulación haga un barrido de frecuencias para que observe el comportamiento
de ambos amplificadores con la frecuencia, determine frecuencias máximas y mínimas y frecuencia de resonancia.
Con la frecuencia de resonancia, realice simulación en el tiempo y determine la ganancia de los amplificadores.
Tabla 1 Parámetros de Diseño
Suma Últimos Dígitos DNI
Voltaje de Polarización
Corriente de colector
Ganancia Emisor Común
0 – 5 10 V 120 mA 60
6 – 11 14 V 130 mA 80
12 – 18 18 V 150 mA 100
Ilustración 5 Amplificador Emisor Común
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Ilustración 6. Amplificador Colector Común ó Seguidor de Emisor.
Con los datos calculados, realice la simulación en frecuencia de ambos circuitos y determine las frecuencias de
corte y la de resonancia (donde se presenta mayor valor de ganancia)
EXPERIMENTO:
Realice el montaje de ambos circuitos y determine experimentalmente para cada uno de ellos:
A. La ganancia de voltaje
B. La impedancia de entrada
C. La impedancia de salida.
Retire la carga del amplificador colector común y conecte su salida a la entrada del amplificador emisor común, y
determine experimentalmente los ítems A, B y C.
Determine por simulación el valor del voltaje Early para el transistor.
