Amplificador Multi-Etapa Y Realimentación

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Amplificador Multi-Etapa y Realimentación

Achury Duarte Rodrigo, Ávila Cruz Rafael Augusto, Jaramillo Andrés Felipe

rachuryd@unal.edu.co , raavilac@unal.edu.co , afjaramilloj@unal.edu.co

Universidad Nacional de Colombia

Noviembre 2009

Abstract—The present document gives details of the analysis, simulation and development of a multistage amplifier, using Bipolar Junction and JFET transistors. Initially the amplifier is going to be designed to achieve a voltage gain above 200 and a current gain of a million. Finally, after a feedback analysis the amplifier is going to be improved to obtain a voltage gain of 40 as well as its input and output resistances get affected.

Índice de Términos—Amplificador multi-etapa, configuración emisor común, configuración colector común (seguidor), realimentación, factor de realimentación.

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INTRODUCCIÓN

asta el momento, los transistores multi-etapa implementados con transistores BJT han presentado ganancias muy inestables, lo que en un proceso de diseño más riguroso puede llegar a presentar dificultades. Es por tal razón que se acude al diseño utilizando la técnica de retroalimentación, donde es posible mejorar características tales como la independencia con respecto a la temperatura y el beta, y mejorar el acoplamiento de las impedancias a cambio de una reducción en los valores de ganancia.

A continuación se describe el proceso de diseño del amplificador, que adicional a la mejora utilizando técnicas de retroalimentación, incluye un transistor JFET que permite amplificación ideal de potencia ’infinita’ a partir de la producción de energía con corrientes de entrada ’infinitesimales’.

Cálculos y criterios de implementación

Para lograr los parámetros requeridos, el amplificador multi-etapa contara con tres etapas:

Etapa BJT (colector común)⟶Av≈1.

Etapa BJT (emisor común)⟶ Av=100

Etapa con JFET ⟶Av=2.

Etapa BJT (Colector común)

El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.

La impedancia de entrada alta es una característica deseable en un amplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pasa la señal que se desea amplificar.

Este circuito no tiene resistencia en el colector y la salida está conectada a la resistencia del emisor (ver la figura).

Figura 1 Amplificador colector común

Para esta configuración se tiene que:

Nota: se asume que Rl1>>>RL

A_v=R_1/(r_e+R_1 )≅0.98 V/V

Z_i=(r_e+R_1 )( β+1)

Z_o=(r_e//R_1 )

A_i=((A_v Z_i)/R_l )

Se irá a trabajar con el transistor 2N2222 y se sabe que este tiene un β≈150.

Se asumirá una corriente de emisor de 10 mA.

Realizando los cálculos adecuados se tiene:

re=(26 mA)/(10 mA)=2.6 Ω

Como se sabe que RL es de 200Ω.

Z_i=(r_e+R_1 )( β+1)=30.59 kΩ≈30 kΩ

Z_o=(r_e//R_1 )=2.56 Ω

A_i=((A_v Z_i)/R_l )=147 A/A

Para el cálculo del condensador se tendrá en cuenta que la frecuencia de corte mínima es de 700 Hz.

X_c=r_e+R_1

C=1/(2πfX_c )=1.12 μf

La simulación para este circuito se muestra a continuación.

Figura 2. Simulación amplificador colector común.

Etapa BJT (Emisor común)

Se denomina configuración de emisor común porque el emisor es común tanto a las terminales de entrada como a las de salida (en este caso, es también común a las terminales de la base y del colector).

Figura 3 Amplificador emisor común

Para esta configuración se tiene:

A_v=-gm(Rc //Rl)≅-100V/V

Z_i=Rπ

Z_o=(r_c//R_l )

A_i=-((A_v Z_i)/R_l )

Como ya se conoce Rl de la etapa anterior, se supondrá una caída de tensión en la resistencia de colector de 5v, entonces:

Rc=Vc/Ic=5/Ic

Despejando de la formula de Zi, se tiene que Ic es:

Ic=[(1/(100 Vt)-1/5)Rl]^(-1)=180.55μA

Rc=Vc/Ic=5/Ic=27.6 kΩ

Z_i=Rπ=392.6 Ω

Z_o=(r_c//R_l )=14.21 kΩ

A_i=-((A_v Z_i)/R_l )=1.3 A/A

Para el cálculo del capacitor de emisor.

Xc=rπ

C=1/(2πfX_c )=579.12 pf

La simulación para este circuito se muestra a continuación.

Figura 4. Simulación amplificador emisor común.

Es evidente que la ganancia en realidad si fue de -100 veces.

Etapa

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