AMPLIFICADORES EN CASCADA

U N I V E R S I D A D D E G U A D A L A J A R A CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS

[REPORTE DE PRÁCTICA #9]

[AMPLIFCICADORES EN CASCADA]

ALUMNOS: JORGE ANTONIO GAXIOLA TIRADO -- 208201722

JOSE RICARDO AVELAR RIVAS -- 209358072

PROFESOR: EDUARDO VELAZQUEZ MORA

MATERIA: LABORATORIO DE ELECTRÓNICA II

SECCIÓN: D06

CARRERA: LICENCIATURA EN INGENIERÍA BIOMÉDICA

GUADALAJARA, JALISCO 14 DE MAYO DEL 2012.

REPORTE DE PRÁCTICA #9 AMPLIFICADORES EN CASCADA

JORGE ANTONIO GAXIOLA TIRADO JOSE RICARDO AVELAR RIVAS

OBJETIVO

Verificar el funcionamiento de un amplificador en cascada que satisfaga las especificaciones dadas por el profesor mediante la medición y comparación contra cálculos de las características de impedancia, ganancias y respuesta de frecuencia.

MARCO TEÓRICO

Los amplificadores en cascada son aquellos que resultan de conectar dos o mas amplificadores simples de manera que la salida de uno se aplica a la entrada del siguiente, quedando una entrada y una salida globales. Las características generales de este tipo de amplificadores son: · La impedancia de entrada global es igual a la impedancia de entrada del primer amplificador. · Impedancia de salida global es igual a la impedancia de salida del último amplificador. · La ganancia global es igual al producto de las ganancias individuales (siempre y cuando se considere el efecto de carga entre cada par de etapas). Esto es válido para la ganancia de voltaje y también para la ganancia de corriente.

Zi=Zi1, Zo=ZoN, A=A1A2…AN

Se puede conectar cualquier número de amplificadores de esta forma, sin embargo, es común encontrar amplificadores en cascada compuesto de dos o tres etapas de amplificadores básicos. Si se consideran las seis configuraciones elementales con un solo transistor (EC, BC, CC, FC, GC y DC) existen 36 posibles conexiones de dos etapas, y 216 de tres etapas, pero no todas las combinaciones son útiles. Por ejemplo, si se desea un amplificador de alta impedancia de entrada, alta ganancia de voltaje, e impedancia de salida media, se pueden elegir las siguientes opciones: CC-EC o FC-EC. Acoplamiento Existen tres tipos de acoplamiento, o formas de llevar la señal de un amplificador a otro: Acoplo capacitivo, acoplo magnético o inductivo, y acoplo directo.



Acoplo capacitivo: · Los circuitos de polarización son independientes. · La respuesta de frecuencia es pasa-altas. Acoplo magnético: · Los circuitos de polarización son independientes. · Debe considerarse el paso de corriente de polarización por los embobinados del transformador. · La respuesta de frecuencia es pasa-altas. · Es más caro y tiene más pérdidas que un acoplo capacitivo. · Es útil para transformar impedancias. · Agregando un capacitor en paralelo, resulta muy útil para acoplo de señales pasabanda en Radio Frecuencia. Acoplo directo: · Los circuitos de polarización se combinan, de manera que se deben diseñar circuitos que polaricen simultáneamente a las etapas involucradas. · Permite el paso de señales desde frecuencia cero (DC). · No es necesario agregar un componente adicional para hacer el acoplo. · Es la elección preferente en el diseño de circuitos integrados.

MATERIAL Y EQUIPO

Protoboard.

Generador de funciones.

Osciloscopio.

Multímetro.

Capacitores de varios valores: 470n, 195n, 220n, 14u, 555u.

Resistores de los valores: 100kΩ, 820Ω, 12kΩ, 47kΩ, 10kΩ, 1.8kΩ, 470Ω,

62kΩ, 78kΩ, 1.8kΩ, 1kΩ.

Un transistor FET 2N5457.

Un transistor BJT 2N2222.

Fuente de voltaje.

DISEÑO

Propusimos un amplificador en cascada que satisfaga las siguientes características:

Ganancia de voltaje mayor a 100 con RL=1 kΩ.

Impedancia de entrada mayor a 100 kΩ.

Impedancia de salida menor a 100 Ω.

Frecuencia de corte baja de 100Hz.

Inversión de fase indistinta.



Procedimiento Elegir las etapas como sigue: 1) Elegir la primera etapa en función de la impedancia de entrada requerida. 2) Elegir la última etapa en función de la impedancia de salida requerida. 3) Suponiendo el uso únicamente de estas etapas, estimar el valor de la ganancia en base a las ganancias típicas, y la condición de defasamiento. Si no es posible obtener la ganancia requerida, o el desfase necesario, agregar una o más etapas Intermedias para lograrlo. 4) Dibujar el diagrama esquemático completo, incluyendo los acoplamientos. Para la realización de esta práctica se realizó el siguiente circuito:

Para la realización de la práctica de tomaron en cuenta las siguientes etapas: Primera etapa: fuente común Se eligió esta etapa para cumplir con el requisito de que la impedancia de entrada fuese mayor a 100kΩ, ya que una característica del fuente común es que la impedancia de entrada es alta. Segunda etapa: emisor común Como se desea que la ganancia de voltaje sea mayor a 100, la etapa más apropiada es un emisor ya que una de sus características es que la ganancia de voltaje es alta y en multiplicación con la ganancia de voltaje de la primera etapa que es baja, obtendríamos una ganancia mayor a 100, con la respectiva polarización de un emisor común.



Tercera etapa: colector común Se eligió un colector común ya que su impedancia de salida es muy baja, ya que se busca que sea menor a 100Ω.

Pasos para obtener ganancias e impedancias

1) Polarizar correctamente cada una de las tres etapas, con los procedimientos indicados en las prácticas anteriores, en esta ocasión se omiten los procedimientos de polarización ya que consideramos que ya fueron demostrados en procedimientos de prácticas anteriores. Los puntos de trabajo para cada etapa son los siguientes:

Fuente común: IDQ=678.15µA ; VDSQ=3.3V Emisor común: ICQ= 2.73mA ; VCEQ=5.8V

Colector común: ICQ= 3.02mA ; VCEQ=6.56V

2) Usando las formulas para señal pequeña de cada etapa, observando que la impedancia de carga de una etapa es la impedancia de entrada de la siguiente, calcula, Zi, Zo y Av globales.

Fuente común: Zi=100kΩ ; Zo=12kΩ ; RL=ZiEC=1.48 Ω

Emisor común: Zi=1.48Ω ; Zo=1.8kΩ ; RL=ZiCC=21.2k Ω Colector común: Zi=21.2kΩ ; Zo=8.8Ω ; RL=1k Ω

Calculo de la ganancia de voltaje

Los valores de las impedancias respecto a la cascada son:

ZI=ZIFC=100kΩ y ZO=ZOCC=8.8Ω



3) Calcular el valor de los capacitores de acoplo. Debido a que hemos elegido únicamente acoplos capacitivos para este amplificador en cascada recalcularemos los capacitores utilizados en cada etapa y calcularemos los dos capacitores de acoplo. Para los capacitores de acoplo, primero calculamos para cada uno de los capacitores donde: y .

El siguiente paso es considerar la frecuencia de corte debido a que el

amplificador es de tres etapas. Por lo que los capacitores de acoplo quedan de la siguiente manera.

y

Capacitores etapa 1.

y

Capacitor etapa 2.

Capacitor etapa 3.

Simulación a 10 hHz.



DESARROLLO PRÁCTICO

1. Primero probamos que el circuito trabajara correctamente en DC, midiendo

las corrientes y voltajes de polarización en cada etapa.

2. Una vez que confirmamos que las etapad trabajaban adecuadamente en DC,

procedimos a conectar el generador, con una señal de milivolts con una

frecuencia de 10KHz, conectamos el canal uno del osciloscopio a la entrada

del generador y el canal dos a la salida del amplificador ( ). Una vez

comprobado que el amplificador estaba amplificando la señal y no existía

desfasamiento de la señal de salida con respecto a la entrada, procedimos a

calcular la ganancia de voltaje con los datos obtenidos en los canales del

osciloscopio, para corroborar el funcionamiento de cada una de las partes

medimos las ganancias parciales de cada etapa, para posteriormente medir

la ganancia total.

3. Con la ganancia en el rango de error permitido procedimos a sacar las

mediciones de y , para llenar la tabla, variando la frecuencia del

generador a las frecuencias requeridas y con esto calcular y ,

respectivamente con las formulas que se dan en la práctica, para calcularlas.

4. Por último procedimos a medir los datos necesarios para sacar Zi y Zo, para

Zi procedimos a poner una resistencia de 390 Ω a la entrada del generador y

procedimos a medir el voltaje del generador y el voltaje después de la

resistencia (Vg, Vi) obtenidos estos datos hicimos el cálculo de Zi, mediante

la ecuación que usamos en la practica 1, calculando primero .

5. Para calcular Zo procedimos a medir el Vocc en , después desconectamos

y medimos el voltaje Voca, en las terminales donde desconectamos la ,

después usamos la formula de la practica uno y calculamos Zo.

MEDICIONES Y RESULTADOS

Mediciones en señal pequeña.

1) Con el osciloscopio se miden el voltaje de entrada y el voltaje en la carga con las frecuencias mostradas en la tabla.

2) Se calcula la ganancia de voltaje en valor absoluto. 3) Calculamos la ganancia de voltaje en decibeles. 4) Se realiza una gráfica que nos muestra el comportamiento de la ganancia de voltaje

en decibeles con respecto a la frecuencia, se realiza en escala semi-logarítmica



Ganancias de voltaje parciales por etapa.

ETAPA CALCULADO MEDIDO ERROR

Fuente común -1.85 -1.91 3%

Emisor común -174.26 -181 4%

Colector común 0.987 0.99 1.02%

Tabla de resultados obtenidos a distintas frecuencias.

Frecuencia, Hz

10 5.00E-03 0.04000 8.00000 18.0617997

20 0.00500 0.04000 8.00000 18.0617997

50 0.01390 1.66000 119.42446 41.5418658

100 0.01380 3.34000 242.02899 47.6773476

200 0.01380 4.31000 312.31884 49.8919637

500 0.01360 4.76000 350.00000 50.8813609

1k 0.01350 4.80000 355.55556 51.0181494

2k 0.01320 4.91000 371.96970 51.4101512

5k 0.01330 4.89000 367.66917 51.3091444

10k 0.01350 4.91000 363.70370 51.2149545

20k 0.01370 4.87000 355.47445 51.0161679

50k 0.01370 4.27000 311.67883 49.8741462

100k 0.01380 3.76000 272.46377 48.7061752

200k 0.01380 3.76000 272.46377 48.7061752

500k 0.01380 3.76000 272.46377 48.7061752

1M 0.01380 0.48000 34.78261 30.827243

2M 0.01380 0.18000 13.04348 22.3078684



>> f=[10 20 50 100 200 500 1e3 2e3 5e3 10e3 20e3 50e3 100e3 200e3 1e6 2e6]; >> adb=[18 18 41 47 49 50 51 51 51 51 51 49 48 48 30 22]; >> semilogx(f,adb)

Gráfica de la ganancia de voltaje con respecto a la frecuencia en escala semi logarítmica.

Impedancias con respecto a las mediciones a 10kHz 1) Se miden las impedancias de entrada y salida en el amplificador a una frecuencia

de 10kHz. 2) Se calcula la ganancia de voltaje a 10kHz. 3) Se calcula la ganancia de corriente a 10kHz. 4) Obtenemos el error existente de lo calculado a lo medido.

Zi Zo

Calculado 100kΩ 8.8Ω 318.2

Medido 98kΩ 8Ω 342

Error 2% 9% 7%%

ETAPA CALCULADO MEDIDO ERROR

Fuente común -1.85 -1.91 3%

Emisor común -174.26 -181 4%

Colector común 0.987 0.99 1.02%

Ganancia global 318.2 342 7%

101

102

103

104

105

106

107

15

20

25

30

35

40

45

50

55



COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Zi Zo

Calculado 100kΩ 8.8Ω 318.2

Medido 98kΩ 8Ω 342

Error 2% 9% 7%%

Simulación 100kΩ 9Ω 320

CONCLUSIONES

Esta es una de las prácticas, que nos parecen más interesantes ya que utilizamos los conocimientos obtenidos en todas las prácticas anteriores, como dominar el conocimiento de las características básicas de cada configuración tanto en BJT como FET, ya que conociendo sus características podemos definir cada etapa según las características finales de nuestro amplificador. Nos parece interesante el hecho de acoplar varias etapas, ya que en ocasiones un solo amplificador gana mucho voltaje pero poca corriente o al revés, en las impedancias la salida es alta y la entrada baja y viceversa, por lo que con un amplificador de cascada podemos crear un amplificador con las características que se necesiten solo teniendo en cuenta las características de cada etapa. Con respecto al desarrollo de la practica tuvimos problemas con los acoplamientos y las ganancias parciales, lo cual resolvimos checando etapa por etapa, recalculando y pasando a la siguiente etapa una vez que la anterior estuviese correcta.

FUENTES CONSULTADAS

http://www.iniciativapopular.udg.mx/muralmta/mrojas/cursos/elect/labII/8.pdf

Engineering

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