• Objetivo
• Introducción teórica
• Desarrollo de la práctica
• Parte 1: Amplificador en configuración emisor común con polarización fija
• Parte 2: Amplificador en configuración emisor común con polarización por retroalimentación
• Cuestionario
• Conclusiones
  

Objetivo

Conocer los factores que hacen de un arreglo con un transistor bipolar, un circuito amplificador estable, así como aquellos fenómenos que ocurren si no se tienen los elementos del circuito necesarios para eliminar discrepancias, tales como el corrimiento del punto de operación hacia saturación o hacia corte.

Introducción [₃]

El punto Q se define gráficamente como la intersección de la recta de carga con cualquier curva de un dispositivo, en este caso nos referiremos a la curva característica de un transistor.

El punto Q depende de cada configuración para que sea estable o cambie de rango con respecto a alguna o algunas variables externas que en dicha configuración se vean modificadas. Por ejemplo, si tenemos un amplificador en emisor común con polarización fija sin resistencia en el emisor, la beta del dispositivo que se esté trabajando hará que el punto Q cambie de posición, o quizá el efecto de la temperatura hace que el punto Q varíe en su posición, en pocas palabras, que el punto Q sea inestable.

Es entonces que una resistencia en el emisor, ayuda a compensar las variaciones en voltaje que se tenga en la beta del transistor, por lo que el punto Q se mantiene cuasiestático. Los rangos en los que el punto Q puede operar son: en corte, en saturación o en la región activa o lineal. Los circuitos integrados o digitales son elaborados para funcionar en la región de corte o saturación.

Un amplificador corresponde a circuitos que operan en la región lineal o activa, con lo que el punto Q debe ubicarse en esta región y esencialmente en el centro de la recta de carga, para que la señal amplificada no se vea deformada.

La polarización es la aplicación de voltaje a un dispositivo y esta puede tener diferentes configuraciones (tipos de polarización).

Un amplificador a emisor común polarizado por realimentación por emisor, tiene la siguiente figura:

Figura a: Amplificador con polarización fija con emisor

Cuando al circuito anterior se le quita la resistencia de emisor, se dice que la polarización es de base o fija. Con la resistencia de emisor, se trata de estabilizar el punto Q con retroalimentación negativa en la base para neutralizar los cambios de corriente en el colector. Por ejemplo, aumenta la corriente del colector, esto hace decrecer la tensión de colector, con lo que desciende la tensión en la resistencia de base, por tanto disminuirá la corriente de base, lo cual se opone al inicial cambio de corriente en el colector. La configuración por realimentación de colector es la siguiente:

Figura b: Amplificador polarizado por retroalimentación con emisor

Las polarizaciones con realimentación de emisor y de colector representan los primeros esfuerzos por obtener polarizaciones más estables para los circuitos transistores. A pesar e que la idea de la retroalimentación negativa es buena, esos circuitos se quedan a mitad de camino al no proporcionar la suficiente retroalimentación negativa para lograr su objetivo.

Desarrollo de la práctica

Material y equipo a emplear

• 2 transistores 2N3904
• 1 potenciómetro de 250 KΩ
• 1 resistencia de 560 Ω
• 1 resistencia de 470 Ω
• 1 resistencia de 220 Ω
• 1 resistencia de 1 KΩ
• 1 generador de funciones
• 1 osciloscopio
• 2 capacitores de 0.1 μF
• 1 capacitor de 4.7 μF

Parte 1: Amplificador en configuración emisor común con polarización fija

Parte 1

Diseñar un circuito amplificador en configuración emisor común con polarización fija como se muestra en la siguiente figura:

Figura 1: Circuito amplificador con polarización fija

Utilizamos un valor de 470 Ω porque es el valor comercial que mas se aproxima al valor de 500 Ω que se nos había pedido. El valor de V_CE = 6 Volts, β_TIP = 165, V_BE = 0.7 Volts

El valor teórico de R_B lo calculamos de la siguiente manera:

Pero en valor comercial utilizamos una resistencia de 160 kΩ.

Rango mínimo con β = 30

Rango máximo con β = 300

Parte 2

Medir el punto de operación Q en reposo (sin señal aplicada)

1. Ajuste R_B para encontrar el punto de operación.

I_CQ = V_CC / 2R_C = 12 / 2(500) = 12 miliAmp.

V_CEQ = V_CC / 2 = 12 / 2 = 6 Volts.

Q = (6 Volts, 12 miliAmp.)

Figura 2: Punto operación teórico del amplificador con polarización fija

2. Cambie el transistor por otro de la misma serie para observar la variación que existe en el punto de operación entre dos transistores teóricamente iguales y obtener la diferencia de Q₁ – Q₂

Así, al ver la variación de los valores del punto Q de un transistor a otro, podemos indicar que esta configuración de transistor es muy inestable, por lo que deberíamos prescindir de su utilización en el diseño de amplificadores.

3. Cambie el valor de R_C a 1kΩ para que concluya cual es el efecto de R_C como se muestra en la siguiente figura.

Figura 3: Variación de la resistencia de colector del amplificador con polarización fija

V_CC = R_CI_CQ + V_CE → I_CQ = (V_CC – V_CE) / R_C = (12 – 6) / 1000 = 6 miliAmp.

I_BQ = I_CQ / β_TIP = 6 / 165 = 0.036363 miliAmp.

V_CC = R_BI_BQ + V_BE → R_B = (V_CC – V_BE) / I_BQ = (12 – 0.7) / 0.036363 = 310.75 kΩ, pero en valor comercial utilizamos una resistencia de 160 kΩ.

4. Agregue una resistencia en el emisor R_E = 220 Ω para observar cuál es el efecto de ásta en el punto de trabajo, como se muestra en la siguiente figura.

Figura 3: Inclusión de la resistencia de emisor en el amplificador con polarización fija

El valor teórico de R_B lo calculamos de la siguiente manera

I_E = I_C + I_B

V_CC = R_CI_CQ + V_CE + R_EI_E → I_CQ = (V_CC – V_CE)*β / [(R_C + R_E)*(β+ 1)] =

I_CQ = (12 – 6)*165 / [(500+220)*(165+1)] = 8.2831 miliAmp.

I_BQ = I_CQ / β_TIP = 8.2831 / 165 = 0.050200 miliAmp.

V_CC = R_BI_BQ + V_BE + R_EI_E → R_B = [V_CC – V_BE – R_E(I_C + I_B)] / I_BQ = [12 – 0.7 – 220(8.2831 + 0.050200) / 0.050200 = 179.197 kΩ, pero en valor comercial utilizamos una resistencia de 180 kΩ.

5. Cambie el transistor por otro de la misma serie para observar la variación que existe en el punto de operación entre dos transistores teóricamente iguales y obtener la diferencia de Q₁ – Q₂.

Al calcular las variaciones del punto de operación podemos validar lo dicho en el punto anterior, es decir, que al incluir una resistencia de colector al circuito, éste se hace un poco más estable.

Parte 3

Aplique una señal senoidal de 1 Khz con 15 miliAmp de Voltaje pico a pico (V_PP). Conecte el canal X del osciloscopio entre la base y la tierra del transistor y el canal Y entre la tierra y el colector.

1. Coloque un par de capacitares de valor de 0.1μF uno en la señal de entrada y otro en la salida para que exista el acoplamiento.

Figura 4: Amplificador en colector común con polarización fija monoetapa

Escala de división Horizontal: 0.2 ms/div
Escala de división Vertica canal X (entrada): 0.1 V/div
Escala de división Vertica canal Y (salida): 1 V/div

Canal X = 60 mV
Canal Y = 2.4 V

Frecuencia = 1 KHz.

Figura 5: Gráfica del osciloscopio que resulta de las señales de entrada y salida del amplificador

Si calculamos la ganancia de voltaje del amplificador, podemos notar que éste tiene un valor muy importante de esta ganancia, sin embargo, cabe recalcar que debido a su gran inestabilidad, resulta casi imposible tener una aplificación para valores elevados de voltaje (durante el experimento, se intentó alimentar al amplificador con una señal de 2 Vpp y el amplificador se encontraba ya sobre-excitado), por lo que podemos considerar a este tipo de amplificador como poseedor de altas ganancias de amplificación a voltajes muy bajos.

Parte 4

Ponga al máximo la amplitud del generador y detectar cuales son la regiones de corte y saturación por medio de la grafica poniendo el selector de canal en DC.

Figura 6: Indicación del selector que debe ser posicionado en "DC"

Figura 7: Gráfica del osciloscopio resultada de las señales de entrada y salida del amplificador


Arriba

Parte 2: Amplificador en configuración emisor común con polarización en retroalimentación

Parte 1

Diseñar un circuito amplificador con un transistor bipolar en configuración emisor común en polarización con retroalimentación si se utiliza un voltaje de polarización de V_CC = 12 V e I_sat = 24 mA.

Debido a que ya se cuenta con los datos propuestos para el punto de operación Q, procedemos a decidir cuál modelo de transistor se ha de utilizar, a lo que se llega a la conclusión de utilizar el modelo 2N3904, que, de acuerdo a sus características, podemos decir que cumple con las condiciones iniciales del circuito amplificador a diseñar.

Procedemos al diseño del circuito, como se puede ver, el circuito indicado para la configuración del amplificador es el siguiente:

Figura 8: Circuito amplificador con polarización en retroalimentación

Donde las resistencias variables se colocaron con el propósito de ajuste fino, debido a la imposibilidad de encontrar valores comerciales de las resistencias que a continación se calcularán (como se puede ver, dentro del diagrama se indican los valores que han resultado de dicho cálculo).

Cálculos para el amplificador:

Tomando los datos principales del transistor, así como las condiciones que nos pide el experimento, tenemos:

Con estos datos procedemos a calcular, primeramente, el valor de la resistencia R_B y comprobar si los valores de las corrientes son los correctos (obviamente, tomando en cuenta el valor de la β típica):

Ya definido el valor de la resistencia del colector y la corriente que pasa por ella, podemos, sin ningún problema, calcular la corriente de base, y con ello, la resistencia de base:

Como podemos ver, los valores concuerdan con lo establecido; por lo que podemos decidir utilizar estos valores de resistencias para nuestro diseño, sin embargo, debemos tomar en cuenta las variaciones de la ganancia del transistor, por lo que es deseable encontrar el rango en que el transistor trabaja; así, de nueva cuenta, al ir a nuestras especificaciones, podemos encontrar los valores de la β mínima y máxima:

                        


                        

Por lo que podemos definir el rango de trabajo del amplificador:

Ya calculados los valores nominales del amplificador, proceder a su armado y realizar las mediciones pertinentes:

Parte 2

1. Ya armado el circuito, ajustar el amplificador por medio de una resistencia variable en R_B a los valores nominales antes mencionados (Realizar las mediciones de V_CE e I_CQ y compararlas con los valores calculados y los valores simulados).

Como podemos ver en las simulaciones, los valores coinciden (salvo un margen muy pequeño de error) con los valores calculados, por lo que podemos esperar resultados parecidos, o en su defecto, algún valor dentro del rango calculado en el punto anterior.
En este circuito, comparado con la polarización fija, mantiene sus valores del rango muy cercanos al valor nominal indicado al principio.

2. Luego de haber obtenido los datos, cambiar el transistor Q₁ por otro de las mismas características y volver a medir los parámetros del punto Q (¡No alterar de nuevo los valores de las resistencias R_B y R_C!).

Parámetro	Valor de la simulación	Valor teórico	Valor medido en el experimento
			Transistor 1 (β = 175)	Transistor 2 (β = 282)
Corriente de colector (ICQ)	12.28 mA	12 mA	12.3 mA	14.2 mA
Voltaje colector - emisor (VCE)	5.861 V	6 V	6.01 V	4.5 V

3. Dados los dos valores, obtener el valor de ΔQ:

Con esto respaldamos todavía más la idea que se tenía de la estabilidad de esta polarización.



3. Agegar una resistencia R_E = 220Ω y de nueva cuenta, repetir la medición del punto de operación Q para los dos transistores, además de calcular el nuevo valor de ΔQ.
   

Diagrama:

Figura 9: Inclusión de la resistencia de emisor en el amplificador con polarización en retroalimentación

Cálculos para el amplificador:

Valores típicos:

                  

Rango de funcionamiento del transistor:

                  
               

Mediciones:

Parámetro	Valor de la simulación	Valor teórico	Valor medido en el experimento
			Transistor 1 (β = 175)	Transistor 2 (β = 282)
Corriente de colector (ICQ)	9.845mA	9.708 mA	9.8 mA	14 mA
Voltaje colector - emisor (VCE)	4.912 V	4.967 V	6.43 V	3.66 V

5. Realizar el mismo procedimiento, ahora modificando el valor de R_C = 1 KΩ, primero sin R_E y después, incluyendo esta resistencia.

Cambio de R_C

Diagrama:

Figura 10: Variación de la resistencia de colector del amplificador con polarización en retroalimentación

Cálculos para el amplificador:

Valores típicos:

                  

Rango de funcionamiento del transistor:

                  
               

Mediciones:

Parámetro	Valor de la simulación	Valor teórico	Valor medido en el experimento
			Transistor 1 (β = 175)	Transistor 2 (β = 282)
Corriente de colector (ICQ)	7.891 mA	7.809 mA	8 mA	9.1 mA
Voltaje colector - emisor (VCE)	4.109 V	4.143 V	4.24 V	3.18 V

Como podemos ver, en esta polarización, el efecto producido por el cambio de la resistencia de colector es mucho menor, podríamos decir que poco considerable, por lo que en este punto si se cumple la noción del poco factor con respecto a la corriente de colector

Adición de R_E

Diagrama:

Figura 11: Variación de la resistencia de colector e inclusión de la resistencia de emisor en el amplificador con polarización en retroalimentación

Cálculos para el amplificador:

Valores típicos:

                  

Rango de funcionamiento del transistor:

                  
               

Mediciones:

Parámetro	Valor de la simulación	Valor teórico	Valor medido en el experimento
			Transistor 1 (β = 175)	Transistor 2 (β = 282)
Corriente de colector (ICQ)	6.834 mA	6.769 mA	7 mA	7.8 mA
Voltaje colector - emisor (VCE)	3.662 V	3.691 V	3.74 V	2.83 V

Es increíble cómo, con sólo agregar una resistencia de emisor en esta polarización, el amplificador se hace extremadamente estable.

Parte 3

Alimentar el amplificador con una señal senoidal de una frecuencia de 1 KHz con una amplitud de 15 mV(pp) (de no conseguir el valor indicado en el generador, obtener dicho valor por medio de un divisor de voltaje).

(NOTA: Para evitar la complicación de que el amplificador no esté acoplado, es necesario conectar en serie un capacitor entre el generador y la entrada de dicho amplficador, así como otro capacitor en serie entre la salida del amplificador y la carga).

Después de medir dicho voltaje y observar la amplificación de la señal, colocar un capacitor en paralelo  con respecto a la resistencia de emisor y describir lo sucedido:

Figura 12: Amplificador en configuración colector común con polarización en retroalimentación monoetapa


Figura 13: Amplificador en configuración colector común con polarización en retroalimentación y resistencia de emisor monoetapa

Escala de división Horizontal: 0.2 ms/div
Escala de división Vertica canal X (entrada): 0.1 V/div
Escala de división Vertica canal Y (salida): 0.5 V/div

Canal X = 60 mV
Canal Y = 1.2 V

Frecuencia = 1 KHz.

Figura 14: Gráfica del osciloscopio que resulta de las señales de entrada y salida del amplificador

Al calcular la ganancia de voltaje para esta polarización, podemos notar que perdimos mucho en esta cuestión de una polarización a otra, sin embargo, hay que hacer notar que luego de incrementar el voltaje de entrada del amplificador, éste no llega al punto de sobre-excitación tan fácilmente (a lo largo de la práctica insistimos en alimentar hasta los 15 volts y notamos que a pesar de este elevado voltaje, el amplificador seguía trabajando sin problema de que la señal fuera distorsionada).

Parte 4

Colocar a máxima amplitud el generador para sobre-exitar al amplificador; en este estado detectar, por medio del osciloscopio, las regiones de corte y saturación del transistor.

Para poder observar y detectar las regiones de corte y saturación, es necesario colocar el selector del Osciloscopio en la posición de "dc" (la zona encerrada en el círculo verde en la siguiente imagen), para poder desplazar la gráfica hacia el orígen... de esta forma se tendrá una visión más clara del proceso.

Figura 15: Indicación del selector que debe ser posicionado en "DC"

Arriba

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Cuestionario

1. ¿Qué es el punto Q? Es aquél punto donde la recta de carga se intersecta con alguna curva característica del dispositivo a usar que en esta práctica fue un transistor. Representa la cantidad de voltaje y corriente que dará el circuito de transistor con respecto a la configuración a la que se encuentre conectado y el valor de sus elementos.

2. ¿Cuál es el efecto de R_C en el punto Q? R_C no tiene efecto directo en el punto Q, ya que aunque esta resistencia se varíe, la cantidad de corriente que circula en el colector depende más directamente de la beta del dispositivo y de la corriente de base que se encuentre entrando al transistor.

3. ¿Qué efecto tiene R_E al ser incluida en un circuito de polarización fija? Al ser incluida una resistencia en el emisor, se produce un efecto llamado retroalimentación negativa la cual tiene por objetivo compensar las variaciones de voltaje y de corriente que la beta del dispositivo pueda ocasionar, solo con la desventaja de disminuir la ganancia de amplificación.

4. ¿Qué efecto tiene R_E al ser incluida en un circuito de polarización por retroalimentación por colector? En esencia tiene el mismo efecto que la resistencia de emisor de la pregunta anterior.

5. ¿Cuál es el efecto de R_B en el punto Q? R_B juega un papel preponderante en el funcionamiento de un amplificador, ya que según el valor que esta resistencia pueda tener, mientras menor sea, la corriente de base que pasa es grande con lo que la corriente de colector también es grande, y de manera contraria, al aumentar la resistencia de base, la corriente que pasa en la base es menor con lo que la corriente de colector también disminuye. En pocas palabras, al variar la resistencia de base, estaremos moviendo a su vez al punto de operación Q.

6. ¿Cuáles son las diversas causas por las que el punto Q se mueve usando un mismo modelo de transistor? El punto de operación se mueve aunque usemos varios transistores del mismo modelo debido a que cada transistor tiene diferentes valores para beta, esto por los diferentes procesos en su fabricación. Pero consideremos que las betas son casi iguales, y sigue variando, esto debido a la temperatura a la que se encuentra trabajando el dispositivo (quizá uno de los dispositivos estuvo demasiado tiempo sujetado entre las manos de una persona y la temperatura que tiene el dispositivo es la del cuerpo humano). Si se implementa una retroalimentación negativa por medio de una resistencia de emisor es probable que las variaciones sean casi imperceptibles.

7. ¿Qué relación existe entre la resistencia de emisor y la ganancia? La ganancia disminuirá cuando se coloque una resistencia de emisor debido a que esta resistencia representa una caída de potencial más, y hay que recordar que la ganancia es la relación de voltaje de salida con el voltaje de entrada, así que esta caída de potencial en la resistencia de emisor, representa una pérdida para el voltaje de salida.

8. Respecto a la pregunta anterior, ¿cómo se puede eliminar el efecto de reducción de ganancia de la resistencia de emisor? La respuesta es tal que podemos colocar un capacitor (siempre y cuando haya una señal de entrada que varíe con el tiempo), el capacitor debe ser grande y debe estar colocado en paralelo con la resistencia de emisor con el fin de que parezca que existe un corto virtual en la terminal de emisor que lo lleva directamente a tierra, claro que habrá retroalimentación negativa.

9. ¿Por qué son importantes los acoplamientos tanto en la entrada como en la salida del amplificador? El primer acoplamiento es para poner acoplar tanto la impedancia de entrada al circuito del amplificador como la impedancia de entrada del dispositivo que esté enviando la señal a amplificar. El segundo capacitor tiene la propiedad de evitar el defasamiento que existe entre la señal de entrada con la de salida.

10. ¿Cómo detecto las regiones de corte y saturación en un amplificador sobre – excitado en la carátula de un osciloscopio? Al ser demasiada grande la señal de entrada a ser amplificada, es posible observar que existen deformaciones en la señal de salida, debido a que el amplificador quiere amplificar la señal entrante aunque sus condiciones ya no lo permitan. En el osciloscopio se conmuta el selector de canal a CD con lo que el nivel de referencia que se tenía en CA, bajará al pico inferior y podremos ver que cuando la señal (casi cuadrada) se encuentra a un nivel aproximado de Vcc (como si fuera un 1 lógico) diremos que el transistor se encuentra en la región de corte, mientras que si no hay voltaje (estado 0 lógico) el transistor habrá entrado a la región de saturación.

Conclusiones

Acosta Valencia Pablo

En base al desarrollo de la práctica y comparando los resultados obtenidos con las simulaciones, se puede concluir que:

1. Debido a las tolerancias de las resistencias y sus mínimas variaciones, el punto Q sufre ligeras variaciones que lo llevan a moverse del punto en el que originalmente se diseñó.

2. Para el circuito con polarización fija, el simple cambio en el transistor lleva a que el punto Q se mueva drásticamente.

3. El hecho de que el punto Q se mueva, significa que el voltaje de colector – emisor (V_CEQ) y la corriente de colector (I_CQ), cambien de valor, lo que puede dañar a un circuito que dependa del amplificador.

4. La resistencia en el emisor para ambos circuitos, reduce el movimiento en el punto Q, por cambios en la  y por cambios de temperatura si así los hubiese.

5. La ganancia de voltaje para el amplificador con polarización es mayor que con el amplificador de retroalimentación por colector.

6. La resistencia de emisor tiene la desventaja de reducir la ganancia de voltaje.

Lozano López Jorge Andrés

Al término de esta práctica, pude llegar a los siguientes conceptos:

1. Dependiendo de la polarización que se utilice en un amplificador dado, se debe de estar consciente en las características de dicha polarización, así por ejemplo, por regla general podemos decir que la estabilidad de cierto amplificador va en proporción inversa de la ganancia de amplificación que éste tenga.

2. El elemento más importante a ser tomado en cuenta para cualquier amplificador es la β, puesto que este parámetro varía de una forma arbitraria, es necesario encontrar un circuito que se estabilice cada vez que la β cambie.

3. La resistencia que más influencia tiene en un punto de operación dado es la resistencia de base; así pues, hay que tomar siempre en cuenta que ésta se mantenga lo más cerca posible del valor calculado.

4. Dentro de estos dos circuitos analizados, la adición de una resistencia en el emisor traerá como consecuencia una mayor estabilidad del punto Q; sacrificando, obviamente, un porcentaje de amplificación.

5. Mantener el punto Q lo más estable posible nos asegurará el pleno funcionamiento del amplificador y la seguridad de que el circuito de carga no se dañará.

6. Los resultados indican que, comparativamente, el amplificador de polarización fija es mucho menos estable que su contraparte de polarización en retroalimentación, sin embargo, el primero tiene una ganancia mucho mayor, sobre todo en voltajes muy pequeños; mientras que el segundo amplifica casi a la mitad del de polarización fija.

7. En cualquier circuito, siempre es importante acoplar las impedancias de entrada y de salida, para que de este modo se tenga el máximo valor de transferencia entre circuitos. Esto se logra por medio de los "capacitores de acoplamiento".

Por medio de la práctica pudimos observar que el circuito con polarización fija es el que tiene una ganancia de voltaje mayor que la polarización por retroalimentación por colector, sin embargo hemos comprobado que es más estable el circuito de retroalimentación por colector, aún cuando tengamos que sacrificar ganancia, cualquiera de los dos circuitos se vuelven mucho mas estables cuando a estos les agregamos una resistencia de emisor, pero volvemos a obtener menos ganancia, otro aspecto importante de la práctica es que comprobamos como varia la el punto de trabajo cuando cambiamos un transistor (aún cuando este sea de la misma serie y del mismo fabricante) en el mismo circuito debido a la β que presenta cada transistor, además de que existen otros factores como la temperatura que también pueden afectar al punto de operación . Sin la resistencia de emisor, la variación se presenta de una manera muy notable, pero cuando colocamos una resistencia de emisor, la variación del punto de operación disminuye. Cuando aumentamos la frecuencia en el generador de funciones vimos como llega un momento en el que la señal amplificado es distorsionada porque pasa los extremos del punto de operación y en el la practica laboral esto es lo que debemos evitar, debemos situar al punto de operación el centro de la línea de carga para obtener una señal que no este distorsionada.