DISEÑO AMPLIFICADOR VOLTAJE, Proyectos de Electrónica Analógica. Universidad Surcolombiana
Jesus.132.
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DISEÑO AMPLIFICADOR VOLTAJE, Proyectos de Electrónica Analógica. Universidad Surcolombiana

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Amplificador de voltaje clase AB con transistores BJT
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> Laboratorio Nº 4: Amplificador realimentado <

1

Resumen— En este documento estudiaremos amplificador

multietapa de ganancia de voltaje, la variación de la ganancia y

su efecto con el ancho de banda de frecuencia.

Palabras claves—Retroalimentación negativa, amplificador

emisor común, ganancia.

I. INTRODUCCIÓN

N el diseño de circuitos amplificadores, un aspecto

importante es la realimentación, en la cual una señal que

se produce a la salida es superpuesta en la entrada. Se aplica

en los amplificadores para obtener beneficios tales como el

control de la ganancia, la estabilidad, la tensión a la salida,

reducir el ruido y distorsión.

Hemos analizado previamente un amplificador multietapa sin

realimentación, identificando su ganancia en magnitud y en

decibeles, y luego de tener los datos experimentales

procedimos a realimentarlo con un componente pasivo,

realizando el mismo procedimiento y registrando el efecto y

cambio que surge en la ganancia, el cual se genera a partir de

esta realimentación en el circuito.

,

Figura. 1. Modelo AC amplificador emisor común en BJT.

II. OBJETIVOS

 Implementar y entender los circuitos de los

amplificadores multietapa.

 Estudiar el efecto que genera en los circuitos la

retroalimentación negativa, en la cual como ya

aprendimos en las respectivas clases teóricas, sacrifica

un poco la ganancia del circuito, pero mejora la

estabilidad del mismo.

 Poner en prueba los conceptos teóricos aprendidos en

clase, y deducir en que puede aplicarse en la vida real.

MARCO TEÓRICO

La realimentación en un amplificador es una condición en la

que una muestra de la señal de salida se combina con la señal

de entrada, de modo tal que se modifican las características

generales del sistema.

Existen dos clases de realimentación, que dependen de la

polaridad de la misma, puede ser: negativa cuando se

realimenta una señal (Vf) a la entrada y se resta de la señal de

entrada (VS); o positiva cuando la señal de retroalimentación

se suma a la señal de entrada.

Debido a las siguientes propiedades a la hora del diseño de

amplificadores, la realimentación negativa es la más viable:

1. Insensibilizar la ganancia: Logra que el valor de la ganancia sea menos sensible a variaciones como por

ejemplo: cambios de temperatura, variaciones de la

fuente de alimentación y envejecimiento de los

componentes.

2. Reducir distorsión no lineal: Hacer que la salida sea proporcional a la entrada (hacer constante la

ganancia, independiente de nivel de señal).

3. Reducir el efecto del ruido: Reduce al mínimo la aportación a la salida de señales eléctricas

20151134150

Sergio Andrés Rincón

20151137367

Proyecto parte B

Amplificador de ganancia de voltaje

Jesús Hernán Quintero Gahona

20151132751

Álvaro Andrés Quintero

E

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2

indeseables generadas por componentes del mismo

circuito o interferencias extrañas.

4. Controlar las impedancias de entrada y salida: Es acerca de subir o bajar las impedancias de entrada y

salida por medio de la selección de una apropiada

topología de retroalimentación

5. Ampliar el ancho de banda del amplificador.

Pero como todo, este método presenta dos inconvenientes:

1. la ganancia del amplificador disminuye en la misma proporción con el aumento de los anteriores

beneficios. Este problema se resuelve incrementando

el número de etapas amplificadoras para compensar

esa pérdida de ganancia con el consiguiente aumento

de coste.

2. La realimentación al tener tendencia a la oscilación, exige cuidadosos diseños de estos circuitos.

Para recordar: El uso de una resistencia de emisor Re (para

estabilizar el punto de polarización de transistores bipolares,

aumentar la impedancia de entrada y ancho de banda de un

amplificador diferencial BJT) es una aplicación bastante

conocida de la realimentación negativa.

Figura 2. Diagrama de bloques de un circuito realimentado.

En el amplificador realimentado el tipo de señal muestreada a

la salida (corriente o tensión) y el tipo de señal mezclada a la

entrada (tensión o corriente), pues estas dan lugar a cuatro

formas básicas de conectar la señal de realimentación:

- Realimentación de tensión en serie.

- Realimentación de corriente en serie.

- Realimentación de tensión en paralelo

- Realimentación de corriente en paralelo.

Figura 3. Topologías de amplificadores realimentados

Figura 4. Ganacia frente a frecuencia.

Realimentación de tensión en serie

La Figura 3 detalla un amplificador con realimentación de

tensión de serie; compuesto por el amplificador básico

representado en su modelo equivalente en tensión (constituido

por Zi, Zo y av) y por la red de realimentación modelada a

través de la red bipuerta de la parte inferior (roja) constituida

por Z1f, Z2f y β (factor de transmisión), parámetros que se

obtienen al aplicar el conjunto de ecuaciones (1).

Figura 5. Amplificador con realimentación de tensión en

serie

Z2f = vo

iof , Z1f =

vif

iif , β =

vif

vo

Inicialmente tenemos el amplificador sin realimentación (Vf

=0) por lo que la ganancia de tensión es:

AV = Vo

VS =

Vo

Vi

Cuando se le conecta una señal de realimentación entonces

Vi = VS – Vf . Reemplazando y despejando las expresiones

anteriores Vo se define entonces como Vo= AV.VS

1+ β.Av . De modo

que la ganancia de tensión total con realimentación es:

AVf = Vo

VS =

AV

1+ β.Av

iif =0 vo=0 iif =0

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III. DOCUMENTACIÓN Y ANALISIS PRUEBAS EXPERIMENTALES

Empezamos por plantear el diseño del amplificador diferencial

polarizado por fuente de corriente. El diseño fue el siguiente:

Figura 6

Sin embargo, al montarlo experimentalmente, resultó con un

sobrecalentamiento en los transistores del espejo de corriente

debido a la mala elección de los componentes.

Luego, se decidió ir por un amplificador diferencial básico,

seguido de una etapa de ganancia de voltaje (emisor común),

una ganancia de corriente (colector común) y el amplificador

de potencia.

Sin embargo, al momento del ensamblaje, el diseño escogido

para la polarización de la etapa de potencia no fue el mejor, y

resultó en un aumento de la corriente de polarización y, por

ende, aumento de potencia.

El diseño era el siguiente:

Figura 7.

Ya por ultimo, escogimos un diseño de etapa de potencia

con transistores BJT; y por ultimo, nos resultó una variación

en el efecto de la realimentación.

Al principio se obtenia una ganancia de voltaje deseada;

pero luego de que el circuito se cumpliera cierto rango de

tiempo, la señal de salida empezaba a crecer como si su

realimentación fuera positiva.

El diseño era el siguiente:

Figura 8.

Figura 9.

Por ultimo, se decidió eliminar la etapa del colector común,

y acoplar únicamente la etapa diferencial, junto con la de

ganancia de voltaje y la etapa de potencia.

El diseño final es el que se nombra a continuación en el

desarrollo teórico.

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IV. DESARROLLO TEÓRICO

Primero realizamos el análisis en DC y AC del amplificador

multietapa sin realimentación mostrado en la figura.1 de forma

individual y cada una de las etapas acopladas.

Figura.10 Amplificador multietapa.

ANÁLISIS DC

• ANÁLISIS DC DE LA ETAPA DIFERENCIAL:

Q1 =270 Q2 =270

Figura. 11. Modelo DC para etapa diferencial.

������ = ������ = ������ − ������

2���� = 1.28����

������ = 2������ − ����(���� + 2����) = 8��

 = ��. ���� ���� = ����

���� = ��. �������� ���� = ����������

���� = (������ − ���� ∗ ����) + ���� ∗ ���� ∗ ����

2

���� = ��. ��������

 ANÁLISIS DC DE LA ETAPA INTERMEDIA: Q5

=290

Figura 12. Modelo DC para etapa intermedia.

2������2 + 100(290 + 1)����2 = 0.665��

������ = 0.665��

31.1�� = 21.38����

������ = ����2 ∗  = 6.2����

������  ������ = ��. ��������

������ = ������ − ����(���� + ����) = ��. ��������

 ANALISIS DC DE LA ETAPA DE POTENCIA

Figura 13. Modelo DC etapa de potencia.

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5

−������ + ���� ∗ ���� + ������ = 0

���� = 20�� − 0.7

2.2�� = ��. ��������

������ = ������ = ������

ANÁLISIS AC

Ahora vamos a analizar cada etapa del amplificador en su

modelo equivalente en AC. Para hallar sus parámetros como

ganancia y respuesta en frecuencia.

ANÁLISIS AC DE LA ETAPA DIFERENCIAL:

La ganancia para el amplificador diferencial se divide

en dos partes. Ganancia en modo diferencial y en modo

común.

Para la ganancia en modo diferencial viene dada por la

siguiente ecuación:

������ = ������ ∗ ����

���� = −

270 ∗ 25����

1.28���� = ��. ������

���� = ℎ���� ∗ ����

ℎ���� =

−270 ∗ 10��

5.27�� = ������. ����

Como obtenemos la señal de salida desde uno de los

terminales de Vo, la ganancia de la etapa diferencial va a ser

Ad/2:

����

�� = ������. ������

Teniendo en cuenta que una entrada del diferencial va a

1mVPk, y la otra a tierra, el voltaje de salida Vod/2 está dado

por:

������

�� =

����

���� ∗

����

2 ∗ ���� = 0.0512 ∗ 0.5�� ∗ 10�� = ��������������

Para la ganancia en modo común se tiene la siguiente

ecuación:

���� = − ���� ∗ ����

2���� ∗ ���� =

10�� ∗ 0.01 ∗ 10��

2 ∗ 7.5�� ∗ 10�� = ��. ������

El voltaje de modo común de entrada sería:

������ = ��1 + ��2

2 =

1��

2 = ��. ������

�������� = 6.66�� ∗ 0.5���� = ��. ��������

Y la relación de rechazo de modo común CMRR sería:

�������� = ����

���� =

������. ������

��. ������ = ����. ������ = ����. ��������

ANÁLSIS AC DE LA ETAPA INTERMEDIA

������ = ���� ∗ 

���� = ��������

���� = ��. ����

���� = −ℎ���� ∗ ����||����

ℎ���� =

−290 ∗ 709

1.019�� = −������

ANALISIS AC DE LA ETAPA DE POTENCIA

���� = ��. ����

������ = ����

���� = ������

���� = ��

�� 

+ ������ =

2.2��

2.2�� 280

+ 2 ∗ 100 = ����. ����

Entonces la ganancia del amplificador multietapa es:

������ = ����2||ℎ���� = 2�� ∗ 1.019�� = ��. ��������

������ = ����

���� =

256��������

25.6���� = ������

������ = ����2 = ����

������ = ��1||��2 = ��. ����

���� = ������

�������������� = 3.019�� ∗ 256.165

3.019�� + 10�� ∗

1.1�� ∗ −201

1.1�� + 2�� ∗

100 ∗ 0.99

100 + 300

�������������� = 59.40 ∗ 71.322 ∗ 0.2475 = ��������. ��

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6

SIMULACIÓN

Ahora se procede a simular el amplificador en sus diferentes

etapas para comparar los valores teóricos y así tener mayor

firmeza al momento de la obtención de resultados:

Ganancia de voltaje Etapa diferencial:

Figura 14.

Vo: Canal B, señal azul. Vi: Canal A, señal roja.

������ = ����

���� =

������. ��������

������. ���������� = ������. ����

Ganancia de voltaje etapa intermedia:

Figura 15.

Vo: Canal B, señal azul. Vi: Canal A, señal roja.

������ = ����

���� =

−��. ������

����. ���������� = −������. ����

Ganancia de voltaje etapa de potencia:

Figura 16.

Vo: Canal B, señal azul. Vi: Canal A, señal roja.

�������������� = ����

���� =

1.73��

1.746�� = ��. ����

ANALISIS DEL AMPLIFICADOR CON

REALIMENTACIÓN:

SIMULACIÓN

Luego se procedió a hacer la simulación en Multisim:

Figura 17.

Vo: Canal B, señal azul. Vi: Canal A, señal roja.

���� = ����

���� =

����. ����������

−������. ���������� = −����. ����

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7

DISTORSIÓN ARMÓNICA

Figura 18.

Se obtuvo una distorsión armónica de 0.75%, lo cual es

bastante baja y es algo muy bueno para nuestro amplificador,

ya que no van a haber reducción en el rendimiento en nuestro

sistema de utilización de la energía.

ANCHO DE BANDA

FRECUENCIA DE CORTE BAJA

Figura 19.

Según el simulador en el diagrama de Bode, para una

frecuencia de corte del orden de 5.448Hz, que es del orden de

cuando la ganancia decae 1.2dB.

FRECUENCIA DE CORTE ALTA

Figura 20.

Según el simulador en el diagrama de Bode, para una

frecuencia de corte del orden de 328.461MHz, que es del

orden de cuando la ganancia aumenta 0.7dB.

El ancho de banda sería:

���� = ���� − ���� = ������. ������������

DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA MAXIMA Y

EFICIENCIA

La máxima potencia de salida en AC del amplificador viene

dada por:

���������� = ������2

8���� = ����������

La máxima potencia disipada por un transistor de la etapa

de salida es:

���������� = ������2

42 ∗ ���� = ������. ��������

La máxima eficiencia es la relación de la potencia de salida a

la potencia suministrada al transistor. Entonces:

�� =

������2

8���� ������2

2����

= ����. ����%

Según los datos, encontramos que el ancho de banda siempre

aumenta cuando se aplica la realimentación.

Esta es una buena característica de los amplificadores con

realimentación debido a que obtenemos un mayor rango de

frecuencias en las cuales el amplificador puede operar.

Además, el ancho de banda es importante al momento de

diseñar amplificadores de corriente y etapas de potencia.

V. CONCLUSIONES

 Un amplificador multietapa sin realimentación presenta una ganancia muy grande por lo tanto con pequeñas

variaciones en la señale de entrada puede entrar en

saturación fácilmente.

 La ganancia deja de depender directamente de la frecuencia, debido a que el ancho de banda es mayor.

 La realimentación presenta una desventaja importante y es la reducción de la ganancia. Implementar etapas

adicionales es necesario pero siempre y cuando,

cuidando de no sobrepasar los limites para no perder

estabilidad.

> Laboratorio Nº 4: Amplificador realimentado <

8

 El aumento de la impedancia de entrada y la reducción de la impedancia de salida (realimentación tensión en

serie) es una gran ventaja para la ganancia de voltaje.

 Uno de los problemas que tenemos es que al implementar nuestro circuito, puede que este funcione

muy bien, además que haga la tarea para la que

nosotros lo diseñamos y fabricamos y como

mencionamos anteriormente, pero todo esto se ve muy

bien en los programas en los cuales estemos trabajando,

el paso siguiente, que es el de montar el circuito, es

aquí cuando verdaderamente nos damos cuenta si

nuestro diseño sirve, ya que puede no darse los

resultados en los simuladores como en la vida real por

así decirlo estos valores y el funcionamiento puede

cambiar mucho, incluso al punto de que nuestro

modelo no funcione.

 De este tipo de diseños requiere la utilización de herramientas adicionales tales como para el presente

caso son los simuladores, ya que en ellos nos basamos

para la mayoría de las pruebas que realizamos. Pero

estos no siempre trabajan de la manera que nosotros

quisiéramos, ya que al probar un circuito en un

simulador u otro, y posteriormente armarlo en otro, a

veces se presentaban alunos cambios.

REFERENCIAS

A. S. Sedra, Circuitos Microelectricos, Mexico: Oxford, 1998

B. A. Ruiz, Electronica Basica Para Ingenierios, España:Universidad de Cantabria, 2001.

C. J. Savant, Diseño Electrico, Mexico: Prentice Hall, 2006.

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