Grupo0x_Lab02

Practica No. 5: Estudio de las configuraciones básicas de amplificación del BJT.Cristian Arias María De la Hoz

200056036 [email protected] 200060366 [email protected] Castro Juan Salas

200030820 [email protected] 200053579 [email protected]

Abstract— This document presents the procedures and results of amplifier circuits using bipolar junction transistors (BJT) with the goal of compare and determine the different application in the electronic fields for these components. Also it shows the DC analysis and small-signal models used to solve three basic configuration of BJT: Common-Emitter (CE), Common-Base (CB) and Common-Collector (CC). Finally, this paper take into account the differences between a simulation, a hand-writing solving and real results obtained for both modes seeking sustain for these variations on the physic principles of BJT and other elements used for this experience.[1]

Keywords — BJT, Open-Gain, Global Gain, Common-emitter, Common-Base, Common-Collector

I. PREGUNTAS INICIALES

1. Describa brevemente cada una de las tres configuraciones de amplificación básicas con transistores BJT, especificando las características de su ganancia en voltaje y/o corriente, resistencia de entrada y resistencia de salida.

Actualmente, las configuraciones básicas de los transistores BJT son tres; colector común, base común y emisor común. La primera de ellas, posee una baja ganancia de voltaje (cercana a uno) y una ganancia de corriente relativamente alta. Su resistencia de entrada es alta y su resistencia de salida es baja, en esta configuración, la señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. La segunda de estas configuraciones, es decir, base común, tiene una ganancia de voltaje bastante alta y una ganancia de corriente cercana al uno, posee también, una resistencia de entrada baja y una resistencia de salida que depende de Rc, los BJT configurados como base común son usados principalmente como buffer, en ésta, la señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. La última de estas configuraciones, es también la más usada en la actualidad, y corresponde al emisor común, donde, la señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. En esta

configuración, la ganancia de voltaje y de corriente, es bastante buena, posee una resistencia de entrada alta.

2. ¿En qué modo de operación debe estar un transistor para que pueda funcionar como amplificador? ¿Qué se debe lograr con esta condición de operación?

Para que un transistor pueda operar como un amplificador se debe encontrar en el modo activo. Para que se cumpla esta condición, se requiere que la tensión de la base sea mayor en 0.7 a la tensión que se presenta en el emisor; para un npn y lo contrario (la tensión del emisor mayor en 0,7 a la base) en un pnp. Además, se debe mantener una tensión tal que siempre se tenga: la unión base emisor en directa y la unión base colector en inversa sin importar con que diodo se esté tratando.

3. ¿Qué son los parámetros de modelo a pequeña señal de un transistor? Describa brevemente el significado de cada uno de ellos y de qué dependen.

Son formas de modelar el circuito amplificador con transistores, estos parámetros se utilizan para el análisis del amplificador ante la alimentación en AC. Es decir, el análisis de la señal de entrada que se desea amplificar. Estos parámetros se deben utilizan para hallar la ganancia del amplificador, la resistencia de entrada y la de salida del circuito.r_o = Es la resistencia debido al efecto Early.r_π = resistencia que representa el efecto de recombinación de los portadores minoritarios que tiene la base.gm*v_π = es la corriente de cortocircuito que se presenta en la salida, depende de la polarización emisor-base.

4. ¿Qué condiciones se deben cumplir en un circuito de amplificación con BJT para que se pueda realizar una aproximación a pequeña señal del circuito? ¿Se puede colocar una señal alterna de cualquier amplitud a la entrada de estos circuitos y obtener una salida deseable? Justifique su respuesta.

Para que se pueda cumplir la condición de pequeña señal en un circuito de amplificación con BJT se debe

1Universidad del Norte

mailto:[email protected]

implementar como señal de entrada una con un valor menor a 10mV, aunque en la práctica se tiende a usar una mayor a este valor para que se pueda trabajar sin ningún inconveniente con los equipos del laboratorio.

5. ¿Qué importancia tienen la resistencia de entrada y salida en un circuito de amplificación? Diga que efectos positivos y/o negativos puede tener un valor muy alto o muy bajo de estas resistencias.La importancia de estas resistencias radica en el tipo de amplificación que se quiere realizar con el circuito es decir, una resistencia de entrada alta da como resultado una ganancia de corriente alta mientras que una resistencia de entrada baja da como resultado una ganancia de voltaje.

II. ANALISIS DE RESUTADOS

Actividad N°1: Análisis del circuito BJT del amplificador de emisor común.

TABLA I. Análisis de DC del amplificador de emisor común.

Para la realización de este análisis se utilizaron diferentes valores de resistencias indicados en la tabla 1 de la guía, un generador de señales ajustado en una alta frecuencia de 1000 Hz y 12V de alimentación. El Análisis en DC y AC de este circuito se muestra a continuación, y los datos obtenidos están registrados en la tabla I y IV, respectivamente.

Podemos observar que los datos experimentales concuerdan muy razonablemente con los calculados teóricamente sin embargo veremos que para el análisis en AC nuestras mediciones se ven muy afectadas y alejadas de los datos teóricos, esto, será mencionado posteriormente en el análisis de pequeña señal.

Figura 1. Amplificador de emisor común.

Dicho análisis permitió conocer los parámetros como Gm y re, se continuó con el análisis de pequeña señal, el cual, pedía tomar una entrada que es considerada pequeña cuando se encuentra por debajo de 10 mV. Este tipo de señal en la práctica es difícil de conseguir por lo cual procedimos a realizar nuestra actividad trabajando con la mínima señal que nuestro generador podía darnos la cual estuvo alrededor de los 90 mV.

Figura 2. Vo Vs Vsig.

La figura 2 corresponde a la señal de salida y de entrada del amplificador de emisor común en la cual podemos observar el desfase en la onda la cual corresponde a la configuración de amplificador, en este caso inversor y con un desfase en la onda de salida de 180°. Durante el semiciclo positivo el voltaje de entrada aumenta la corriente de base, lo que origina un incremento en la corriente del colector. De esta manera la caída de tensión en el resistor de colector es mayor; por lo tanto, el voltaje de colector

Emisor Común Datos MedidosDatos

CalculadosError

X100%Voltaje en la

resisitencia de base 1 (20K) 8,31 V 8,345 V 0,419Voltaje en la

resisitencia de base 2 (20K) 3,680 V 3,655 V 0,683

Volate en Re 2,992 V 3,019 V 0,894

Voltaje en Rc 4,716 V 4,785 V 1,442

Voltaje be 689,067 mV 636,000 mV 8,343

Voltaje cb 3,591 V 3,560 V 0,87

Voltaje ce 4,291 V 4,196 V 0,022Corriente de

base 50 uA 51,808 uA 3,489Corriente de

colector 10,74 mA 11,128 mA 3,631Corriente de

emisor 10,98 mA 11,180 mA 3,486

Beta 214,8 214,8 0

Alfa 0,9953 0,9953 0


disminuye y se obtiene el primer semiciclo negativo del voltaje de salida. Por otra parte, en el semiciclo negativo del voltaje de entrada, la corriente que fluye por la resistencia de colector es menor provocando una caída menor en esta resistencia, esto significa un aumento en el voltaje de colector y se obtiene el semiciclo positivo del voltaje de salida.La corriente de colector es una forma de onda senoidal amplificada de la misma frecuencia. Esta corriente senoidal de colector, fluye por la resistencia de colector y produce un voltaje amplificado de salida.Así como se observa en la tabla IV podemos evidenciar prácticamente que esta configuración presenta un voltaje de salida en contrafase con respecto a la señal de entrada además de ver que las resistencias de entrada y salida son altas.

Actividad N°2: Análisis del circuito BJT del amplificador de colector común.

Un amplificador de colector común es como un amplificador emisor común altamente saturado, este tipo de amplificador se comporta como un buffer, su resistencia de colector se cortocircuita, este tipo de configuración también se denomina emisor seguidor, puesto que la el voltaje DC de emisor sigue al voltaje de DC de la base.

Colector Común Datos Medidos

Datos Calculados

Error X100%

Voltaje en la resisitencia de base 1 (20K) 8,377 V 8,333 V 0,528Voltaje en la

resisitencia de base 2 (20K) 3,672 V 3,667 V 0,136

Volate en Re 2,980 V 3,030 V 1,65

Voltaje be 695,0 mV 636,097 mV 9,26

Voltaje cb 8,376 V 8,333 V 1,841


base 50 uA 50,017 uA 0,033Corriente de


emisor 10,45 mA 11,224 mA 6,895

Beta 223,4 223,4 0

Alfa 0,9955 0,9955 0TABLA II. Análisis de DC del amplificador de colector común.

Figura 3. Amplificador de colector común.

Para este circuito se utilizaron diferentes resistencias indicadas en la figura 3, un generador de señales ajustado en una alta frecuencia de 1000 Hz y una alimentación de la fuente DC de 12V. Se hicieron procedimientos similares para realizar los análisis en DC y AC, estos datos se registran en la tabla II y VI.Como podemos apreciar en el análisis de DC también se experimentan ciertos errores significativos los cuales podemos atribuírselos a las no consideraciones de las resistencias de los equipos aparte de que, como ya sabemos nuestros capacitores y resistencia no son ideales los cuales promuevan que nuestras medidas se vean afectadas al compararlas con los datos teóricos.Hay que resaltar que al hacer los cálculos teóricos se utilizó un beta de 100 lo cual en la práctica es muy difícil de conseguir ya que como vemos este parámetro depende de factores externos como la temperatura y por lo tanto es un valor diferente cada vez que se toman este tipo de mediciones entonces al momento de tomar los datos se utilizó el nuevo beta con el que se trabajaría y luego se volvieron a calcular los datos teóricos con este nuevo beta aparte de realizar la simulación de dicho circuito lo cual ocurrió para los tres diferentes casos de amplificadores.

Figura 4. Vo Vs Vsig CC.

Este resultado concuerda con el circuito que funciona como buffer o amortiguador de tensión. Anteriormente se registraron las gráficas de la señal de entrada y salida, lo ilustra la figura 4.


Como podemos observar, la señal de salida es igual a la de entrada, con una pequeña variación en su voltaje pico, debido a distorsión o armónicos en el sistema. El seguidor de emisor es esencialmente un amplificador de baja distorsión. Dado que la ganancia de voltaje es aproximadamente la unidad, la señal de salida es igual a la señal de entrada como se observa experimentalmente.En la tabla IV se registraran los datos tomados del análisis de pequeña señal del circuito amplificador de colector común como se debe ver este circuito nos da una resistencia de entrada bastanteaste alta y una resistencia de salida relativamente baja comparada con la entrada lo cual concuerda con lo mencionado anteriormente de que este circuito funciona como buffer amortiguador dándonos una ganancia de voltaje cercana a la unidad.

Figura 5. Montaje del BJT CC.

Figura 5. Señales Vo vs Vsig del BJT CC.

Luego se hicieron variaciones en el voltaje de entrada de la señal para conseguir el recorte de ambos picos, pero se necesitaba más tensión de la ofrecida por el generador y sólo se pudo conseguir recortar el pico inferior, la gráfica se registra en la figura 6.

Figura 6. Montaje del BJT CC Saturado.

Cuando el voltaje de entrada contiene una componente de AC y una de DC, la línea de carga de AC es la misma que la línea de carga de DC, Si la señal de entrada es suficientemente grande para utilizar toda la línea de carga de AC, el transistor tiende a irse a saturación y a corte en los picos.

Actividad N°3: Análisis del circuito BJT del amplificador de base común.

Base Común Datos MedidosDatos

CalculadosError

X100%Voltaje en la resistencia de base 1 (20K) 8,345 V 8,312 V 0,144Voltaje en la resistencia de base 2 (10K) 3,695 V 3,668 V 0,763

Volate en Re 3,009 V 3,052 V 0,693

Voltaje en Rc 4,749 V 4,840 V 1,165

Voltaje be 686,2 mV 636,271 mV 7,876

Voltaje cb 3,594 V 3,472 V 1,841


base 46,3 uA 46,823 uA 7,431Corriente de


emisor 10,33 mA 11,302 mA 7,965

Beta 240,3887 240,38 0

Alfa 0,9955 0,9955 0TABLA III. Análisis de DC del amplificador de base común.


Figura 7. Amplificador de base común.

Para este circuito se utilizaron diferentes resistencias indicados en la figura 7, un generador de señales ajustado en una alta frecuencia alrededor de 1KHz y una alimentación de la fuente DC de 12V. Se hicieron procedimientos similares como en la primera configuración para realizar los análisis en DC y AC, estos datos se registran en la tabla III y IV.Al igual que en las configuraciones anteriores podemos hablar de un muy significativo error, como ya fue mencionado anteriormente estos pequeños errores se pueden deber a la tolerancia de las materiales utilizados para esta práctica y también al no trabajar con elementos ideales como se suponen cuando se realizan los cálculos teóricos. Vale mencionar que este error no es tan grande porque ya se ha dicho que se tomó el beta obtenido de manera práctica para realizar los cálculos.

Figura 8. Vo vs Vsig BJT BC.

En la figura anterior (8) se logra apreciar la señal de entrada y la señal de salida del circuito amplificador de base común dando una ganancia en fase.Esta configuración se usa en aplicaciones de alta frecuencia porque la base separa la entrada de la salida, logrando así que se minimicen las oscilaciones a altas frecuencias. Tiene una buena ganancia de voltaje, relativamente baja resistencia de entrada y alta resistencia de salida en comparación con la

configuración de colector común. Esto se podrá evidenciar en la tabla IV donde están consignados estos parámetros para los 3 tipos de amplificadores.

Figura 9. Amplificador de base común saturado.

Esto ilustra la máxima tensión que el transistor utilizado puede soportar sin llegar a saturarse la impedancia de entrada de un amplificador base común es tan baja que sobrecarga la mayor parte de las fuentes de señal. Debido a esto, un amplificador base común no se usa regularmente a bajas frecuencias

Configuración Emisor Común

Configuración Colector Común

Configuración Base Común

EXP TEÓR EXP TEÓR EXP TEÓRGanancia V/V

12.82 20.7 1 1 3,47 3,9442

Rin (Ω) 1540 1966 3462,57 382721,904

7 2,522

Ro (Ω) 515 440 517 615 714 430TABLA IV. Resumen análisis de AC de las 3 configuraciones.

Por último se presenta esta tabla donde se consigan las diferentes ganancias y resistencias que se pudieron medir y calcular en cada tipo de configuraciones, está claro que ellas siguen un comportamiento muy parecido a lo que se ha estudiado teóricamente acerca de estos 3 tipos de configuraciones por lo cual concluimos que pudo ser una experiencia donde se pudo obtener un amplio conocimiento acerca del comportamiento de los amplificadores de BJT.

V. PREGUNTAS FINALES

1. ¿Cuál es la principal aplicación que pueden tener cada una de las configuraciones estudiadas basado en los valores de las resistencias de entrada, resistencia de salida y ganancia? La configuración de colector común desempeña el papel de seguidor de entrada, la función de esta configuración, no es amplificar, por el contrario, el colector común, se encarga de acoplar y aislar los circuitos entre sí, debido a que posee una


gran resistencia de entrada y una minúscula resistencia de salida. Esto lo hace mantener la señal de entrada en el transistor y que no sea afectada por la carga de salida, por lo que la ganancia se sacrifica al ser unitaria. La configuración de base común realiza la función de amplificador no inversor, el cual amplifica la entrada sin realizar un desfase. Este tiene una baja resistencia de entrada y alta resistencia salida pero no posee una alta ganancia, por lo que su uso requiere de varias etapas en cascada para conseguir una ganancia alta. Tal configuración, se suele utilizar, para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida.Finalmente, la configuración de emisor común es un amplificador inversor que tiene grandes ganancias de voltaje, alta resistencia de entrada pero una resistencia de salida baja, por lo que se usa generalmente como amplificadores de señales.2. ¿Cómo puede explicarse el efecto que ocasiona tener cargas muy altas y muy bajas para cada configuración? La resistencia de salida cumple una función importante dentro del montaje, debido a que de ella dependerá la carga que se puede acoplar. En caso de tener una resistencia de salida interna muy grande, se necesita una resistencia de carga aún más grande para poder apreciar la señal de salida; si se tiene una resistencia de salida pequeña (pero más grande que la interna) se puede bajar la resistencia de carga, pero no demasiado o la señal se perderá en el transistor. 3. ¿Para qué se conectan los capacitores entre la señal de entrada y el circuito y la carga y el circuito? ¿De qué cree usted que depende la selección de dichos capacitores? Los capacitores en los transistores BJT cuando se hace el análisis de DC, poseen la función de separar la parte del análisis del correspondiente en AC. Para hacer la correcta selección de dichos capacitores se debe tener en cuenta el efecto que se desea obtener en el circuito, es decir, se necesitan grandes capacitancias, si lo que se quiere es se comporten como circuito abierto en DC y como corto circuito en AC.4. ¿Cuál es la principal razón por la cual debe introducirse una señal de un valor pequeño en voltios a la entrada de cualquiera de estas tres configuraciones?

Se debe usar una pequeña señal para que la ganancia del transistor sea lineal debido a que en AC, las tensiones en el emisor, base y colector comenzaran a oscilar. Si dichas señales oscilan con mucha frecuencia, el transistor se saturará y no podrá ejercer la función de amplificar la señal.

VI. CONCLUSIONES

Para este laboratorio se realizó el montaje de los principales modelos de aplicación de los BJT. Estos son los modelos de base colector, colector común y emisor común. Para cada una de estas configuraciones se analizaron y calcularon los valores de resistencia de entrada, resistencia de salida, así como los voltajes de entrada y de salida y se analizaron sus respectivas funciones en la aplicación cada uno estos modelos.Para el montaje de base común se presentaron características que coinciden con la teoría, están fueron: una resistencia de entra baja, una resistencia de salida un poco más alta, una ganancia de corriente cuyo valor era cercano a la unidad y una ganancia de volteje que depende de la fuente de alimentación. Mientras que para el montaje de montaje de emisor común se obtuvo una resistencia de entrada más alta que la de salida, ganancias cuyos valores parecían entre sí, este fenómeno se observó debido a la implementación de un divisor de voltaje que introdujo un ruido a la entrada de base debido a que esta presentaba valores muy bajos. En el montaje de colector común se obtuvo una resistencia de entrada alta, una resistencia de salida baja, la ganancia de voltaje fue cercana a la unidad y la ganancia de corriente fue elevada, lo cual explica el por qué este circuito se utiliza como emisor seguidor. Con los datos obtenidos en este laboratorio se puede concluir que estos tres modelos son bastante útiles en la amplificación de señales.

VII. REFERENCIAS

[1] Abel S. Sedra & Kenneth C. Smith, "Microelectronics Circuits", Saunders College Publishers, 4th. Edition, 1998 o posteriores.


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