T9 – IEE2413Entrega: viernes 30 de noviembre

Esta tarea es casi igual a la tarea 8, pero en este caso empleamos un transistor BJT. La idea esdisenar un amplificador de voltaje con ganancia AV = −10.Esta tarea es de trabajo y entrega grupal. La idea es que todos los integrantes del grupo resuelvanla tarea en conjunto y generen un documento a ser entregado. Entregue su tarea en un unico archivo.pdf, uno solo por cada grupo, identificando a todos los miembros del grupo. No es necesario incluirel enunciado, basta con hacer referencia a cada pregunta. No se permite trabajo inter-grupos.Se evaluaran los aspectos tecnicos y los aspectos comunicacionales (calidad de las imagenes, re-daccion, claridad en explicaciones, etc.). Se espera que las respuestas vayan acompanadas de es-quematicos segun corresponda.La tarea es de caracter optativo. Si deciden no hacerla, no bajaran su nota. Si deciden hacerla,tendran la oportunidad de subir su nota.

1. Vamos a utilizar la configuracion emisor comun con degeneracion de emisor. ¿Cual es laecuacion que modela la ganancia?

2. Asumiendo que gmRE ≫ 1, determine una expresion aproximada para la ganancia de voltajeen funcion de RC y RE .

3. Busque o infiera la siguiente informacion en las hojas de datos del 2N2222: IS y β.

4. Descargue un macromodelo de este transistor para SPICE y copielo mas abajo.

5. Realice una simulacion sencilla para obtener las curvas IC vs. VCE para diferentes valores deVBE . Entregue como respuesta el deck de SPICE y los resultados de la simulacion. ConsidereVCE ≤ 15V.

6. A partir de las curvas, intente inferir un valor para el parametro λ que modela la resistenciade salida finita.

7. Usando LTspice, determine la transconductancia en funcion de la corriente de colector cuandoel transistor se encuentra en region activa. Para ello puede realizar varias mediciones de gma traves del comando .op, o determinar pequenas variaciones de corriente frente a pequenasvariaciones en el voltaje.

8. Uno de los principales grados de libertad en este diseno es la corriente del transistor. Engeneral, la corriente nos permite comprar mayor ancho de banda y mayor SNR, pero porsupuesto, nos cuesta potencia. Por consideraciones de diseno (velocidad, SNR), asuma quequeremos IC = 1mA. Ahora procedamos a polarizar el transistor para lograr esa corriente.Suponga que piensa utilizar una fuente DC de 15V y que VCE ≈ 8.25V. Este ultimo ha sidoescogido para permitir una excursion de salida razonable, ya que VC puede verse reducido envarios Volts antes de llevar al transistor fuera de la region activa. Considerando lo anterior,determine los valores de RC y RE . Utilice valores que esten disponibles comercialmente y quecumplan razonablemente bien con las restricciones del problema.

9. A partir del grafico de gm, determine la transconductancia para la corriente de polarizaciony compruebe que el supuesto de gmRE ≫ 1 se cumple.

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10. Mediante simulaciones de SPICE, determine el voltaje de base necesario para polarizar eltransistor de acuerdo a lo calculado anteriormente. ¿A que valor de VBE corresponde?

11. ¿De que orden es la resistencia de entrada del amplificador? ¿Que sucede con la resistenciade entrada si empleamos un transistor levemente distinto?

12. Para establecer el voltaje de base, utilice un divisor resistivo entre VCC y tierra. Utilicevalores de resistencia tales que la impedancia de entrada del amplificador sea de 5 kΩ. La bajaresistencia de Thevenin de la red de polarizacion de base asegura que no se vea muy cargadapor la resistencia de entrada del amplificador. Utilice valores de resistores comercialmentedisponibles.

13. La entrada del amplificador es conectada a un Thevenin (ej: microfono). ¿Cual es el maximovalor de la resistencia de Thevenin para que la perdida por insercion sea menor que 3 dB?

14. Despreciando la resistencia de Thevenin y asumiendo que la red de polarizacion de la base tieneuna impedancia de exactamente 5 kΩ, determine el valor de la capacitancia de acoplamientonecesaria para que la frecuencia de corte de la red RC a la entrada del amplificador quede en20Hz.

15. Determine analıticamente la excursion de salida del circuito y compruebe su resultado me-diante simulaciones.

16. Asuma ahora que quiere conectar una carga al amplificador. Para predecir los efectos en laganancia, determine Gmeff y Rout . Puede combinar ecuaciones analıticas con resultados deSPICE.

17. Segun su resultado de la pregunta anterior, ¿como cambiarıa la ganancia si a la salida conec-tamos una carga de 5 kΩ?

18. Compruebe su resultado anterior mediante una simulacion de SPICE. Utilice un capacitor de10µF para acoplar la carga al nodo de salida.

19. Suponga que ahora decide hacer crecer la ganancia conectando un capacitor muy grande(∞) entre el terminal de fuente y tierra (capacitor de degeneracion). ¿Que efecto produce enpequena senal? ¿Por que aumenta la ganancia? ¿A cuanto espera que aumente la gananciacuando hay una carga de 5 kΩ conectada a la salida?

20. Simule y compruebe la pregunta anterior.

21. Dado que el circuito en DC no ha cambiado al agregar la capacitancia de degeneracion, seespera la misma corriente que en el caso sin capacitor de degeneracion. ¿La capacitancia dedegeneracion tiene algun efecto negativo sobre la predictibilidad de la ganancia del circuito?¿Como se compara esto con el caso de un MOSFET?

22. Ahora elimine la capacitancia de degeneracion y vuelva a obtener ganancia de ≈ 10×. Supon-ga que quiere conectar una carga de 1 kΩ sin ver un deterioro significativo en la ganancia.Empleando una etapa de CE adicional con un BJT, disene un circuito que cumpla con elobjetivo y estime la ganancia de la nueva etapa. La carga debe ir acoplada capacitivamentea la salida. ¿Cual es el valor de la impedancia de salida del circuito completo?

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23. Simule y compruebe el resultado de la pregunta anterior.

24. Implemente el circuito en el entrenador y repita las preguntas 12, 15, 18, 20. Anote y expliqueposibles discrepancias con las simulaciones.

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