UNIVERSIDAD DEL QUINDO, INGENIERA ELECTRNICA, GRUPO de ELECTRNICA ii, informe PRESENTADO DURANTE EL segundo SEMESTRE DE 2013UNIVERSIDAD DEL QUINDO, INGENIERA ELECTRNICA, GRUPO de ELECTRNICA ii, informe PRESENTADO DURANTE EL segundo SEMESTRE DE 2013.

ACOPLAMIENTO DE AMPLIFICADORESLeandro Jos Zamora Sinisterra, cd. . 1111.768.002, Jossean Andrs Uribe Martnez cd. 1.094.922.503, Nataly Vanegas Restrepo cd. 1.094.907.718

Resumen Cuando un sistema se compone de ms de una etapa de transistor, es necesario conectar (acoplar) los amplificadores con transistores entre s. Hay varias formas comunes de lograr esta interconexin entre amplificadores como son el acoplamiento directo, capacitivo, transformador y ptico. En este trabajo se implementara el acople directo y el acople capacitivo.AbstractWhen a system is composed of more than one stage of transistor, you connect (attach) transistor amplifiers together. There are several common ways to achieve this interconnection between amplifiers such as direct coupling, capacitive, optical transformer. In this paper we implement the direct coupling and capacitive coupling.I. INTRODUCCINEl acoplamiento capacitivo es la manera ms simple y efectiva de desacoplar los efectos del nivel de dc entre las etapas de un amplificador .El capacitor quita la componente de dc de la seal de AC de tal modo que la polarizacin de una etapa de amplificador no se afecta por la polarizacin de la etapa previa. Para asegurar que la seal no vara de modo significativo por la adiccin de un capacitor, es necesario que este vea al circuito como un corto circuito para todas las frecuencias que se estn amplificando. En consecuencia, se supondra que el capacitor es muy grande cuando se trabajan frecuencias muy bajas.El acoplamiento directo presenta cuando dos amplificadores estas acoplados directamente, es decir, la salida del primer amplificador se conecta a la entrada del segundo directamente y sin el uso de capacitores

II. OBJETIVOS Estudiar tericamente el acople de amplificadores directo y capacitivo Estudiar la configuracin del amplificador diferencial y en modo comn Analizar el comportamiento en la prctica de los acoples directo, capacitivo y las configuraciones en modo diferencial. Verificar como afecta el acoplamiento de impedancia entre amplificadores.

III. LISTADO DE MATERIALES

Fuente de voltaje dual Osciloscopio Multmetro Resistencias Capacitores Tip41C

IV. MARCO TERICO

ACOPLAMIENTO CAPACITIVO.

Fig.1. Acoplamiento capacitivoEl acoplamiento capacitivo es la manera ms simple y efectiva de desacoplar los efectos del nivel de dc de la primera etapa de amplificador de los correspondientes a la segunda etapa. El capacitor quita la componente de dc de la seal de ac. De tal modo que la polarizacin de una etapa de amplificacin no se afecta por la polarizacin de la etapa previa. Para asegurar que la seal no vara de modo significativo por la adicin de un capacitor, es necesario que este vea al circuito como un corto circuito para todas las frecuencias que se estn amplificando. En consecuencia, se supondr que el capacitor es grande [1].

ACOPLAMIENTO DIRECTO

Fig.2. Acoplamiento directo

El acoplamiento directo se emplea de manera efectiva cuando se acopla un amplificador SE con un amplificador con resistor en el emisor, como se ilustra en la figura 2. El acoplamiento directo elimina la necesidad del capacitor de acoplamiento y los resistores R1 y R2 de la segunda etapa. El amplificador con acoplamiento directo tiene una buena respuesta en frecuencia puesto que no hay capacitores en serie (esto es, elementos sensitivos a la frecuencia) que afecten la seal de salida a baja frecuencia.El acoplamiento directo se emplea comnmente en el diseo de circuitos integrados. Hay varias razones para su utilizacin. El amplificador resultante tiene una excelente respuesta a baja frecuencia y puede amplificar seales de dc. Tambin es ms fcil de fabricar en un chip pues no hay necesidad de capacitores. Sin embargo, el acoplamiento directo tiene la desventaja de requerir suministros de potencia adicionales o desplazadores de nivel y de ser sensitivo al arrastre (una variacin lenta del cambio de nivel de dc). En la figura se advierte que el voltaje de colector del primer amplificador es el voltaje de base del segundo amplificador. Esto causa problemas si el amplificador con resistor en el emisor sigue al amplificador SE, ya que los amplificadores con resistor en el emisor tienen un voltaje de base bajo - apenas arriba de los 0.7 V necesarios para que el transistor conduzca. En consecuencia, es necesario reducir el voltaje de reposo, voltaje de colector, hasta un nivel bajo para que se reduzca la excursin del voltaje de salida [1].

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

El amplificador diferencial puede medir y tambin amplificar pequeas seales que quedan ocultas en seales mucho ms intensas.

Fig.3. Amplificador diferencial bsico.Cuatro resistencias de precisin (1%) y un amplificador operacional componen un amplificador diferencial, como se muestra en la figura 4. Hay dos terminales de entrada, denominadas entrada (-) y entrada (+), correspondiente a la terminal ms cercana del amplificador operacional. Si E1 es reemplazado por un cortocircuito, E2 ve un amplificador inversor con una ganancia de m. Por tanto, el voltaje de salida debido a E2 es . Ahora pngase E2 en cortocircuito. E1 se divide entre R y mR para aplicar un voltaje de E1m/(1+m) a la entrada (+) del amplificador operacional. Este voltaje dividido ve un amplificador no inversor con una ganancia (m+1). El voltaje de salida debido a E1 es el voltaje dividido, E1m/ (1+m), multiplicado por la ganancia del amplificador no inversor (1+m), lo cual da mE1. Por tanto, E1 es amplificado a la salida por el multiplicador m a mE1. Cuando E1 y E2 estn presentes en las entradas (+) y (-), respectivamente, Vo es mE1-mE2, o (1) En esta ecuacin se muestra que el voltaje de salida del amplificador diferencial, Vo es proporcional a la diferencia de voltajes aplicada a las entradas (+) y (-). El multiplicador m se denomina ganancia diferencial y se establece por la relacin entre resistencias.Como puede esperarse por la ecuacin (1), cuando E1=E2 el voltaje de salida es 0. Dicho de otro modo, cuando un voltaje comn (el mismo) se aplica a las terminales de entrada, Vo=0 [2].Voltaje en modo comnLa salida del amplificador diferencial deber ser 0 cuando E1=E2. El modo ms simpe de aplicar voltajes iguales es cablear ambas entradas juntas y conectarlas a la fuente de voltaje (figura 2). Para dicha conexin, el voltaje de entrada se denomina voltaje de entrada en modo comn ECM. Ahora Vo ser 0 si las relaciones de resistencias son iguales (mR a R para la ganancia del amplificador inversor es igual a mR a R del circuito divisor de voltaje). Prcticamente, las relaciones de resistencias se igualan mediante la instalacin de un potencimetro en serie con una resistencia, como se muestra en la figura 4. El potencimetro se afina hasta que Vo se reduce a un valor despreciable. Esto causa que la ganancia de voltaje en modo comn Vo/ECM, se aproxime a 0. Esta es la caracterstica de un amplificador diferencial que permite que una seal dbil se capte extrayndola de una seal de ruido ms intensa.

Fig.4.La ganancia de voltaje en modo comn debe ser cero.Es posible arreglar el circuito de modo que la seal ms intensa no deseada, sea el voltaje de entrada en modo comn y la pequea seal el voltaje de entrada diferencial. Entonces el voltaje de salida del amplificador diferencial contendr solo una versiona amplificada del voltaje diferencial de entrada [2].

V. PROCEDIMIENTO

ACOPLAMIENTO CAPACITIVOSEGUNDA ETAPA Se supone

Por criterios

Luego la ganancia de voltaje

(1)Donde (2) (3)Reemplazando (2) y (3) en (1) (4)

Reemplazando los valores en (4)

(5)Despejamos (6)

De la siguiente ecuacin Se despeja (7)Entonces (8)

ANALISIS EN DCDe la malla de entrada tenemos (9)

Ahora hallamos Y (10)

(11)

La impedancia de entrada (12)

AHORA PARA LA PRIMERA ETAPA Se sabe que (13)

Por mxima transferencia de potencia

Por criterios tenemos

La ganancia de voltaje para la etapa 1 est dada por (14)Sabiendo que (15)Reemplazando los valores

(16)Despejamos (17)

Partiendo de la ecuacin de tenemos (18)Despejando tenemos (19)

De la malla de entrada tenemos (20)

Ahora hallamos Y (21)

(22)

ACOPLAMIENTO DIRECTOSegunda etapaAsumiendo un beta de 45 y una resistencia de colector de la segunda etapa de 2k se procede de la siguiente manera:Con base en la ganancia de la segunda etapa: (23)Despejando tenemos: (24)El valor de se calcula de: (25)

El valor de se calcula de: (26)Vcc = 20V, Vo = 15V, reemplazando tenemos: (27)

Reemplazando el valor de para hallar se obtiene (28)

Hallado se obtiene el valor de (29)

Calculado el valor de se obtienen las resistencias de la segunda etapa del circuito en acoplamiento directo.Primera etapa. (30)

(31) (32)

(33) (34) (35)

Suponiendo:

, tenemos:

Suponiendo

Despejando de la ganancia tenemos:

(36)

Reemplazando

De la formula

(37)

Reemplazando

Despejado de

(38)

Tenemos:

(39)

Reemplazando valores tenemos:

Para hallar los valores de reemplazamos en la ecuacin (34) de criterio de , y obtenemos:

De igual forma se halla con la ecuacin (35)

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Y COMN

AMPLIFICADOR EN MODO DIFERENCIAL

Fig.5. Amplificador diferencial

(40)

DIFERENCIAL EN MODO COMN

Fig.6. Amplificador diferencial en modo comn

VI. RESULTADOS

SIMULACION ACOPLAMIENTO DIRECTO

Fig.7. Circuito de Amplificador con acople directo

Fig.8. Respuesta en el tiempo de Amplificador con acople directo. Seal amarilla salida, seal azul entrada

PRACTICA ACOPLAMIENTO DIRECTO

Fig.9. Circuito prctico acoplamiento directo

Fig.10. Salida (seal grande) y entrada (seal pequea), del circuito de acoplamiento directo

DATOS ACOPLAMIENTO DIRECTO

Tabla 1. Resultados obtenidos acoplamiento directo

TericoSimulacinPractica

SIMULACION ACOPLAMIENTO CAPACITIVO

Fig.11. Circuito de Amplificador con acople capacitivo

Fig.12. Respuesta de Amplificador con acople capacitivo. Seal amarilla salida, seal azul entrada

PRACTICA ACOPLAMIENTO CAPACITIVO

Fig.13. Circuito de acoplamiento capacitivo

Fig.14. Seal de entrada

Fig.15. Salida primera etapa

Fig.16. Salida segunda etapa (seal de salida del circuito)

DATOS TOMADOS ACOPLAMIENTO CAPACITIVO

Tabla 2. Datos de la primera etapa del circuito.Voltaje de la base (Vb)0.12 V

Voltaje del colector (Vc)0.6V

Voltaje del emisor (Ve)0.13 V

Voltaje colector emisor0.56V

Voltaje base colector0.6V

Voltaje base emisor0.7V

Corriente del colector2mA

Corriente del emisor2.131mA

Tabla 3. Datos de la segunda etapa del circuito (salida)Voltaje de la base (Vb)0.22 V

Voltaje del colector (Vc)2.4V

Voltaje del emisor (Ve)0.22V

Voltaje colector emisor2.39V

Voltaje base colector2.4V

Voltaje base emisor0.6V

Corriente del colector2.4mA

Corriente del emisor2.2mA

PRACTICA MODO DIFERENCIAL

Fig.17. Amplificador diferencial

SIMULACIN AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.

. Fig.18. Amplificador diferencialFig.19. Respuesta del amplificador diferencial SIMULACION AMPLIFICADOR MODO COMN.

Fig.20. Circuito amplificador diferencial en modo comnFig.21. Respuesta del amplificador diferencial en modo comn.

Tabla 4. Resultados obtenidos amplificador diferencialTericoSimulacinPractica

PRACTICA MODO COMUN

Fig.22. Circuito amplificador diferencial modo comn

Fig. 23. Seal de entrada

Fig.24. Seal de salida

Tabla 5. Resultados obtenidos amplificador modo comnTericoSimulacinPractica

VII. ANLISIS DE RESULTADOS

ACOPLAMIENTO DIRECTOTabla 6. Anlisis del error en acoplamiento DirectoTericoSimulacinPractica% error(t-p/ t-s)

94% / 95.6%

6.666% / 17.8%

94% / 95.6%

45% / 58%

6.666% / 17.8%

Durante la realizacin de la prctica del acoplamiento directo se percat de que en la primera etapa R1 deba ser mucho mayor a R2 para as cumplir con una ganancia de voltaje de 5, en la segunda etapa RE2 deba ser menor que RC1 para obtener una ganancia de voltaje de 3. Tambin se observ que al bajar de valor la resistencia RE2 la ganancia de la primera etapa disminuye.El porqu de los errores presentes en la anterior tabla es debido, a que el beta del transistor es muy sensible al cambio de la temperatura, en la simulacin no es posible trabajar con un valor de beta deseado, por eso el beta de la simulacin, de la prctica, y de la teora son diferentes, ocasionado diferentes valores de voltaje en cada una. La ganancia de la primera etapa afecta la segunda etapa, es decir no hay un elemento que logre desacoplar una etapa de la otra, ocasionando que el voltaje en la segunda etapa disminuya o aumente dependiendo de las condiciones en las que se encuentre el circuito. Los valores especficos de ganancia total del circuito cumplen los requerimientos de diseo tericos para el acople, tanto en el casos de la simulacin, practica o la teora; como se analiz existen factores que se pueden evidenciar en los errores obtenidos.

ACOPLAMIENTO CAPACITIVO Tabla 7. Anlisis del error en acoplamiento CapacitivoTericoSimulacinPractica% error (t-p/ t-s)

16.6% / 355%

0% / 12.5%

316.6% / 253%

20% / 74.5%

0% / 6.33%

Como se puedo observar en el acoplamiento capacitivo se encontr la ganancia de la primera etapa es mucho mayor que la ganancia de la 2 etapa en la simulacin, pero la ganancia total se cumple. Al analizar los resultados obtenido en la prctica se encontr que estos se ajustaron a los calculados tericamente, aunque la simulacin la ganancia total es similar debido a su error no se puede tener como referencia del comportamiento del amplificador.A diferencia del acoplador directo el efecto del capacitor entre las etapas se puede evidenciar que una etapa no afecta mucho la otra mejorando en gran medida la amplificacin de la seal. Durante la prctica fue necesario tener en cuenta las condiciones ambientales principalmente la temperatura, durante su funcionamiento al calentarse los transistores se afectaba en gran medida la ganancia de voltaje llegando hasta el punto de limitar a su funcionamiento hasta en un 50%. AMPLIFICADOR DIFERENCIALTabla 8. Anlisis del error del amplificador diferencialTericoSimulacinPractica%Error (t-p/ t-s)

12.53% /16.33%

1.35% / 5.14%

20% / 16%

20% / 58%

1.70% / 25%

La corriente del emisor podemos observar que existe un error bastante pequeos con respecto a la realidad, si se analiza el resultado obtenido en la prctica y el valor de la simulacin el error asciende a un 29.53% . Este error se ve reflejado en la ganancia real del amplificador que vara entre 0.1v y 0.2 v.La corriente de base del amplificador se pudo observar tanto en la simulacin como en la prctica cuando el voltaje de la base es igual los errores son mnimos y no existe una variacin. En la prctica esto no es posible realizarlos debido a que es muy complicado alimentar ambos amplificadores con el mismo voltaje y frecuencia debido al uso de 2 generadores independientes lo que nos presenta variaciones en los resultados obtenidos y en la saturacin de la seal de salida. DIFERENCIAL EN MODO COMNTabla 9. Anlisis del error del amplificador en modo comn.TericoSimulacinPractica%Error(simulacin /practica)

11.26% / 13.94%

288.33%/298.33%

3.5751/11.39%

La corriente de base se puede observar que presenta un error bastante evidenciable con respecto al terico, este error p puede ser ocasionado debido a que se asume ambos amplificadores iguales.En la prctica no es posible en la realidad debido a que es casi imposible hallar dos integrados exactamente iguales y que se comporten en la prctica igual. Si se analiza el error la simulacin y la prctica esta corriente de base no presenta un error tan alto bajando hasta el 8.04% lo que permite concluir que el comportamiento de la simulacin se asemeja ms a la realidad.

VIII. CONCLUSIONES

Se estudi de manera terica el comportamiento de los amplificadores, con acoplamiento directo y con acoplamiento capacitivo, analizando el efecto de los condensadores como separadores de etapas de amplificacin. Se verifico que este tipo de acoples son muy sensibles a los cambios de temperatura, ya que en la presencia de estos cambios afectaban el rendimiento del circuito amplificador. Se comprob de manera terica y prctica el comportamiento electrnico de la configuracin diferencial y modo comn, se encontr que este se puede ver muy afectado en sus corrientes y ganancias debido a que se requiere que ambos transistores sean simtricos, es decir, idnticos. En el acople capacitivo se pude evidenciar que es necesario incluir condensadores entre etapas, para as eliminar los efectos del voltaje en dc a la entrada de cada etapa de amplificacin.

IX. BIBLIOGRAFIA

[1]. C.J. Savant Jr, Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter. Diseo electrnico. Circuitos y Sistemas. 3ra ed. Prentice Hall. 2000.

[2] Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll. Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. Prentice Hall Hispanoamrica.

[3] Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky. Electrnica: Teora de Circuitos. 6a ed. Prentice Hall.