Diseño de un amplificador con mezclador de 2 canales y vumetro
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AMPLIFICADOR DE AUDIO CLASE A CON MEZCLADOR DE DOS CANALES Y VUMETRO ELECTRONICO TRANSISTORIZADO
JOSEJAIME PADILLA 2010119049
RICARDO JAVIER PUPO 2010219065
ING. ALEJANDRO DURAN PABÓN
ELECTRÓNICA II Y LABORATORIO
UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA
2014
lectrónica II y LaboratorioFacultad de Ingenierías – Universidad del Magdalena
AMPLIFICADOR DE AUDIO CLASE A CON MEZCLADOR DE DOS CANALES Y VUMETRO ELECTRONICO TRANSISTORIZADO
INTRODUCCIÓN
Desde hace tiempo una de las aplicaciones más conocida para los transistores, trata de la amplificación de señales enfatizados a su vez, en mezcladores de frecuencia o sonido, el cual, es muy útil para muchos campos de la vida cotidiana, como en el caso de las telecomunicaciones, y aplicaciones con sonido. Un mezclador es aquel capaz de interactuar con diferentes señales y frecuencias logrando así un acoplamiento de estas, enviándolas a un punto determinado; en este caso se puede presenciar en el caso donde se inyectan dos tipos de sonidos a la entrada del mezclador cuya salida será enviada a u amplificador de clase donde su salida será el parlante y a este la conexión del vúmetro para mostrar la variación con respecto al voltaje.De manera que estos mezcladores suelen ser convenientes realizarlos con transistores FET, dado a que permiten un mejor acoplamiento de las señales, es decir, no producen ruido, como en el caso de los BJT, al mismo tiempo contendrá un amplificador en clase A en configuración Darlington para amplificar y a la vez eliminar ruido.A continuación, en el presente informe se mostrara el diseño de un mezclador de audio, realizado con un JFET (2N5458), y dos canales de entrada, siendo emitida al final a través de un parlante y su variación de a través del vúmetro.
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un amplificador de audio clase A con mezclador de dos canales y vúmetro electrónico transistorizado.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar el circuito capaz de mezclar diferentes señales de audio, utilizando FET.
Investigar acerca de los amplificadores de clase A para generar un amplificador de audio sin ruido.
Realizar el montaje del circuito en protoboard y probar su funcionalidad. Sincronizar todos los componentes del circuito y obtener el respectivo
funcionamiento de este.
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CUERPO DEL TRABAJO
El proyecto consta de un mezclador de dos canales compuesto por un transistor JFET, el cual mezclara dos señales de audio colocadas en las entradas, ya sea un micrófono, un reproductor MP3 o un computador. Como este mezcla las dos señales en una sola, la señal ira a un amplificador clase A de 3 watts compuesto por una etapa de amplificador diferencial la cual sirve para eliminar el ruido generado al montar los circuitos en la protoboard y una configuración Darlington para la etapa de potencia, compuesto por un transistor NPN de potencia TIP31C. El proyecto además contara con un vúmetro electrónico a base de transistores para mostrar un nivel de señal de audio en unidades de volumen, es decir a través de unos LEDs indicara el nivel de salida del amplificador. El sistema consta de los siguientes bloques:
MEZCLADOR DE DOS CANALES CON JFET
Las mesas de mezclas de audio o mezcladora de sonidos es un dispositivo electrónico al cual se conectan diversos elementos emisores de audio, tales como micrófonos, entradas de línea, samplers, sintetizadores, gira discos de vinilos, reproductores de CD, reproductores de cintas, etc. Una vez que las señales sonoras entran en la mesa estas pueden ser procesadas y tratadas de diversos modos para dar como resultado de salida una mezcla de audio, mono, multicanal o estéreo.
El uso de transistores FET, que se caracterizan por su alta impedancia de entrada, nos permite usar estos circuitos preamplificadores con micrófonos de alta impedancia tales como los de cristal y los cerámicos; con estos se pueden obtener
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una respuesta en frecuencia sin atenuación entre 1Hz y 20KHz. Además para este amplificador utilizamos un transistor JFET DE CANAL N 2N5458.
Para el diseño del Mezclador de audio se utilizo la alta impedancia de entrada que tiene el JFET que esto puede aproximarse a un circuito abierto, por eso en la entrada se pueden mezclar muchas señales, obteniendo así una salida de audio con muchas señales.Se dice que la impedancia de entrada de los JFET´s es de 1000 MΩ, muy grande en realidad.
El diseño del mezclador con JFET es el siguiente:
El consumo de este circuito es realmente muy bajo, solo de algunos miliamperios, y por esto resulta adecuado para equipos portátiles que se alimentan con baterías.
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Ahora se explicaran los componentes de este mezclador:
- Filtros de 10 µF.
La función de estos es prevenir que cualquier nivel de polarización DC de la señal de entrada se presente en la entrada de la Compuerta del JFET.
- Potenciometros de 1MΩ.
La función de estos potenciómetros es funcionar como control de volumen de cada canal, es decir que el mezclador tendrá su controlador de niveles de volumen.
- Resistencias de 100KΩ.
El propósito de estos es asegurar que un canal no cargue a otro canal y reduzca o distorsione de forma severa la señal de la compuerta. En general y por tanto, estas resistencias compensan cualquier diferencia en la impedancia Z de la señal para asegurar que uno no cargue a la otra y que se desarrolle un nivel mezclado de señales en el amplificador. Estas resistencias técnicamente se denominan “Resistencias de aislamiento de Señal”.
- Transistor JFET 2N5458.
Este transistor es de propósito general, se utiliza mucho para amplificar a pequeña señal. Su comportamiento en el circuito es de gran ayuda, ya que se podría decir que es el motor de fuerza del mezclador.
Se explicara el funcionamiento de la configuración de auto polarización utilizada:
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Haciendo un análisis DC:
Por LKV:
−V ¿+V GS+V S=0 Como V ¿ no es valor constante, entonces se omite:
V GS=V S
Pero ID=I S ,pero ID=0.De esta manera:
VgsQ=0V
Para este circuito la corriente máxima en saturación es de 10 mA y un VP de -6v, que es la dada por el fabricante del transistor 2N5458:
ID ss=10mAV P=−6V
Con estos datos se puede calcular la transconductancia gm:
gm0=2 ID ss
|Vp|
gm0=2(10mA)|−4 v|
=1.5mS
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Ahora haciendo el modelo equivalente:
Pero primero se tiene en cuenta que el voltaje que entra al JFET es uno solo, es decir Vin:
Para este análisis no se usara, es decir se omitirá el valor de rd o yos, se omite, por lo tanto la impedancia de salida:
ZO=RD ‖ RL
ZO=(3.3KΩ)‖ RL
∴ Donde RL = RP = 10 KΩ ‖ 10 KΩ = 5 KΩ
ZO=1.98KΩ
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Para la ganancia de voltaje:
AV=V O
V I=
−gmVgs ZO
Vgs
Cancelando los Vgs, nos queda que:
AV=V O
V I=−gmZO
Por tanto:
AV=V Out
V ¿=−(1.5mS ) (1.98K Ω)=−2.95
La ganancia de los circuitos con JFET siempre es pequeña y el negativo de la ganancia de voltaje es que la señal de salida esta desfasa 180° con respecto a la de entrada.
AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE A
Un amplificador clase A es aquel que presenta a su salida una señal copia de la de entrada, pero amplificada y sin distorsión.
En este caso la máxima señal de salida se obtendrá cuando el punto estático coincida con el centro de la recta de carga, consiguiendo, por tanto, la máxima potencia de salida.
En los amplificadores de clase A no hay nunca corriente de reja (base) por lo que es indiferente decir que el amplificador es de clase A1 o de clase A.
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El sistema diseñado es el siguiente:
A este amplificador la señal de entrada será la salida del mezclador de dos canales.
Este amplificador está compuesto por una etapa de amplificador diferencial la cual sirve para eliminar el ruido generado al montar los circuitos en la protoboard y una configuración Darlington para la etapa de potencia, compuesto por un transistor NPN de potencia TIP31C.
- Amplificador Diferencial.
Se trata de dos transistores bipolares en configuración emisor común que se hallan acoplados por el emisor.
Esta parte en el circuito es de gran importancia ya que entrega en su salida una señal libre de ruido, lo cual es una de los grandes requisitos a la hora de diseñar amplificadores de audio.
En la operación en modo común, la señal de entrada común da como resultado señales opuestas en cada colector, cancelándose estas señales, debido a que la señal de salida resultante es cero.
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La característica principal del amplificador diferencial es la gran ganancia cuando se aplican señales opuestas a las entradas. La relación de esta ganancia diferencial respecto a la ganancia en modo común se llama rechazo en modo común.
Además, se utilizo un divisor de voltaje, ideal para trabajar con una sola fuente de voltaje DC, porque si no se hace necesario utilizar dos fuentes (Una con tensión positiva y una negativa).
Para esta etapa del circuito se utilizo el transistor BJT NPN 2N3904, ideal para esta parte del circuito.
Haciendo el análisis AC de este circuito (Por el modelo Hibrido):
Estos valores son los entregados por el fabricante del transistor 2N3904:
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hie=1KΩ h fe=200 hoe=30 µS
El modelo equivalente queda de esta manera:
Donde RP = 10 KΩ ‖ 10 KΩ y RS = 3.3KΩ ‖ RL (AMP POT).En este análisis se omite la admitancia de salida hoe.
- Como se sabe el amplificador diferencial trabaja con la misma señal de entrada pero invertida, por eso la base del segundo transistor se conecta a tierra, ya que la terminal negativa de la fuente AC se conecto a tierra.
Para la impedancia de salida Zo:
Zout=3.3KΩ‖RL(AMPPOT )∴ Pero RL (AMP POT) = 7.61 KΩ
Zout=3.3KΩ‖7.61KΩZout=2.3KΩ
Zout=2.3KΩ‖3.3KΩZout=1.3KΩ
Hallando la impedancia de entrada Zi:
Z¿=RP ‖RL(MEZ )
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∴ Pero RP = 10 KΩ ‖ 10 KΩ, y RL (MEZ) = 3.3 KΩ
Z¿=5KΩ‖ 3.3KΩZ¿=1.97KΩ
Z¿=1.97KΩ‖ZB
∴ZB=V i
I b
Haciendo LKV en la base del primer transistor:
V i=hie1 Ib1+[ Ib1 (1+hfe1 )+ Ib2 (1+hfe2 ) ] (3.3KΩ )
Pero sabiendo que la señal de entrada es la misma sino que están invertidas, lo que quiere decir que:
ib1=−ib2
Reemplazando en la ecuación de Vi:
V i=hie1 Ib1+[ Ib1 (1+hfe1 )−Ib 1 (1+hfe2 ) ] (3.3KΩ )
ZB=V i
Ib1=hie1+(1+hfe1 ) (3.3KΩ )−(1+hfe2 ) (3.3KΩ )
ZB=V i
Ib1=hie1+ (3.3KΩ )[(1+hfe1)−(1+hfe2 )]
Como las referencias de los transistores utilizados son las mismas, entonces hfe1=hfe2, por lo que:
ZB=V i
Ib1=hie1+(3.3KΩ )[(1+hfe1)−(1+hfe1 )]
ZB=V i
Ib1=hie1
ZB=1KΩ
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Por lo tanto la impedancia de entrada Zi:
Z¿=1.97KΩ‖1KΩZ¿=663.3Ω
Para la ganancia de voltaje:
Av=V out
V ¿
Determinando Vout:V out=−Zout . hfe2. ib2
Determinando Vin:
V i=hie1 Ib1+[ Ib1 (1+hfe1 )−Ib 2 (1+hfe2 ) ] (3.3KΩ )
Por lo tanto la ganancia de voltaje:
AV=V out
V ¿=
−Zout . hfe2 .ib2ib1 [hie1+ (1+hfe1 ) (3.3KΩ )−(1+hfe2 ) (3.3KΩ )]
Pero se sabe que la señal de entrada es la misma sino que están invertidas, lo que quiere decir que:
ib1=−ib2
- Reemplazando en la ecuación de la ganancia de voltaje:
AV=V out
V ¿=
−Zout . hfe2 .ib2−ib2[hie1+(1+hfe1 ) (3.3KΩ )−(1+hfe2 ) (3.3KΩ )]
Simplificando las ib2 :
AV=V out
V ¿=
Zout . hfe2[hie1+(1+hfe1 ) (3.3KΩ )−(1+hfe2) (3.3KΩ )]
Como se sabe hfe1=hfe1, por lo que:
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AV=V out
V ¿=
Zout . hfe2[hie1+(1+hfe1 ) (3.3KΩ )−(1+hfe1) (3.3KΩ )]
AV=V out
V ¿=Zout .hfe2hie1
AV=(1.3KΩ )(200)
1KΩ
AV=260
Para la ganancia de corriente Ai:
Ai=I outI ¿
=
V out
Zout
V ¿
Z¿
=
Zout . hfe2 . ib1Zout
ib1[hie1+(1+hfe1) (3.3KΩ )−(1+hfe2 ) (3.3KΩ )]Z¿
Simplificando las Zo y las ib1:
Ai=hfe2 . Z¿
[hie1+(1+hfe1) (3.3KΩ )−(1+hfe2 ) (3.3KΩ )]
Como se sabe hfe1=hfe1, por lo que:
Ai=hfe2 . Z¿
hie1
Reemplazando valores:
Ai=(200 )(663.3Ω)
1KΩ
Ai=132.66
- Etapa de Potencia (Darlington).
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Para la etapa de potencia se diseño de acuerdo con la configuración Darlington, esta configuración sirve para que el dispositivo sea capaz de proporcionar una buena ganancia de corriente. La ganancia total del Darlington es el producto de la ganancia de los transistores individuales. También tiene un mayor desplazamiento de fase en altas frecuencias que un único transistor, de ahí que pueda convertirse fácilmente en inestable. La tensión base-emisor también es mayor, siendo la suma de ambas tensiones base-emisor, y para transistores de silicio es superior a 1.2V. La beta de un transistor o par Darlington se halla multiplicando las de los transistores individuales. La intensidad del colector se halla multiplicando la intensidad de la base por la beta total.
hfeDarlington=hfe1 . hfe2+hfe1+hfe2
Si β1 y β2 son suficientemente grandes, se da que:
hfeDarlington≈hfe1 .hfe2
Un inconveniente es la duplicación aproximada de la base-emisor de tensión. Ya que hay dos uniones entre la base y emisor de los transistores Darlington, el voltaje base-emisor equivalente es la suma de ambas tensiones base-emisor:
V BE=V BE1+V BE2≈2V BE1
Para la tecnología basada en silicio, en la que cada es de aproximadamente 0,65V cuando el dispositivo está funcionando en la región activa o saturada, la tensión base-emisor necesaria de la pareja es de 1,3 V.
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Esta configuración es muy buena ya que amplifica buena corriente, en la salida del segundo transistor de la configuración, es necesario colocar una resistencia pequeña pero de gran vatiaje, ya que por ahí circulara bastante corriente y entonces se calentara (Se recomienda de 10 a 20 Watts).
El amplificador utilizado es el BJT NPN TIP31C, que es un transistor de potencia ideal para trabajar con grandes corrientes.
A este amplificador es necesario colocarle un disipador de calor, ya que como maneja grandes corriente se calienta demasiado.
Además este amplificador se diseño para una resistencia de carga, es decir el parlante de 8 Ω a 3 Watts.
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Para este análisis en el modelo hibrido, se hace necesario tener las especificaciones técnicas de los transistores 2N3904 y TIP31C.
Especificaciones técnicas 2N3904. hie=1KΩ h fe=200 hoe=30 µS
Especificaciones técnicas TIP31C. hie=50Ω h fe=50
Haciendo el modelo equivalente para esta parte, sabiendo la impedancia de salida del amplificador diferencial y la resistencia de carga que en este caso el parlante de 8 Ω:
Para la impedancia de entrada Zi:
Zi=RP‖ ZB
∴ Pero RP = 10 KΩ ‖ 47 KΩRP = 8.25 KΩ
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∴ZB=V i
I b
V i=hie1 Ib1+ Ib2hie2+ IRLP . (22Ω‖8Ω¿
∴ Ib2=Ib1+ Ib1hfe1Ib2=Ib 1(1+hfe1)
∴ I RLP=Ib2+ Ib2hfe2IRLP=Ib2(1+hfe2)
Reemplazando Ib2 e IRLP:
V i=hie1 Ib1+ Ib1(1+hfe1)hie2+ Ib2(1+hfe2)(5.86Ω)
- Pero dejando toda la ecuación en función de Ib1:
V i=hie1 Ib1+ Ib1(1+hfe1)hie2+ Ib1(1+hfe1)(1+hfe2)(5.86Ω)
Sacando factor común Ib1:
V i=Ib1 [hie1+(1+hfe1 )hie2+(1+hfe1 ) (1+hfe2 ) (5.86Ω)]
ZB=V i
I b=hie1+(1+hfe1 )hie2+ (1+hfe1 ) (1+hfe2 ) (5.86Ω )
Reemplazando valores:
ZB=1KΩ+(201 ) (500Ω)+(201)(51)(5.86Ω)ZB=161.57KΩ
Por lo tanto la impedancia de entrada es:
Zi=RP‖ ZB
Zi=7.85KΩ
Pero a esta impedancia de entrada le afecta la impedancia de salida del amplificador diferencial, lo que:
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Zi=7.85KΩ‖3.3KΩZi=2.32KΩ
Para la impedancia de salida Zo:
Zo=22Ω‖RL(Parlante)Zo=22Ω‖ 8ΩZo=5.86Ω
Para la ganancia de voltaje Av:
Determinando Vout:V Out=ZOut . hfe2 . ib2
Pero ∴ Ib2=Ib1(1+hfe1)
V Out=ZOut . hfe2 .( Ib1(1+hfe1))Determinando Vin:
V ¿=Ib1[hie1+ (1+hfe1 )hie2+ (1+hfe1 ) (1+hfe2 ) (5.86Ω )]
Por lo tanto la ganancia de voltaje:
AV=V out
V ¿=
ZOut . hfe2.( Ib1(1+hfe1))Ib1 [hie1+(1+hfe1 )hie2+(1+hfe1 ) (1+hfe2 ) (5.86Ω)]
Simplificando las Ib1:
AV=V out
V ¿=
ZOut . hfe2 .(1+hfe1)hie1+(1+hfe1 )hie2+(1+hfe1 ) (1+hfe2 ) (5.86Ω )
Reemplazando valores:
AV=(5.86Ω ) (50 )(201)
(1KΩ )+[ (201 ) (50 ) ]+[ (201 ) (51 ) (5.86Ω) ]
AV=0.828
Para la ganancia de corriente Ai:
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Ai=I oI i
=
V o
Zo
V i
Z i
=
ZOut . hfe2.( Ib1(1+hfe1))ZOut
Ib1[hi e1+(1+hfe1 )hie2+(1+hfe1 ) (1+hfe2 ) (5.86Ω)]Z¿
Simplificando las Zo y las ib1:
Ai=I oI i
=hfe2 . (1+hfe1) . Z¿
hie1+(1+hfe1 )hie2+(1+hfe1) (1+hfe2 ) (5.86Ω)
Reemplazando valores:
Ai=(50 ) (201 )(2.32KΩ)
(1KΩ )+ [ (201 ) (50Ω) ]+[(201 ) (51 ) (5.86Ω )]
Ai=327.83
VUMETRO ELECTRONICO TRANSISTORIZADO
Un vúmetro se incluye a menudo en equipos de audio para mostrar un nivel de señal en unidades de volumen, el dispositivo es a veces también llamado indicador de volumen.
Este circuito permite apreciar la variación de la música mediante el incremento o la disminución del número de LEDs encendidos.
La entrada de este circuito se conecta en paralelo con los extremos de la salida del parlante. La conexión de este circuito no produce ningún efecto de sobrecarga al amplificador por lo que puede ser conectado sin temor alguno.
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El nivel de la luminosidad del vúmetro será controlado por el potenciómetro de 100KΩ. El capacitor de 1 µF eliminara todo nivel DC presente en la salida del amplificador. La idea del transistor bipolar PNP 2N3906 es amplificar la señal que entra en la base de acuerdo al nivel DC colocado en el colector.
Los 4 transistores bipolares NPN 2N2222a están en la configuración de interruptor (corte y saturación), ya que cuando a la base de estos llegue un nivel de voltaje lógico dejaran fluir lo que esté conectado de colector a emisor y como en el pin de emisor está conectado a tierra el flujo de la corriente permitirá que los LEDs enciendan.
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Y la función de los diodos es permitir el paso del voltaje de acuerdo al nivel de voltaje de salida de la canción, es decir por cada nivel de voltaje dejara encender un LED.
El nivel de salida (4 LEDs), estarán ubicados de la siguiente manera:
- 2 LEDs Verdes.- 1 LED Amarillo.- 1 LED Rojo.
Para el modelo equivalente en AC, se tiene que:En este caso el modelo AC solo se hara para la parte del transistor PNP, ya que los otros transistores trabajan en DC y están en configuración de corte y saturación.
Los datos para el modelo hibrido dados por el fabricante son:
hie=1KΩ h fe=200 hoe=40µS
El modelo hibrido equivalente es el siguiente:
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Donde RP es la resistencia de carga del amplificador, es decir la impedancia del parlante (que en este caso es 8 Ω).
Para la impedancia de salida Zo:
ZO=RC=4.7KΩ
Determinando la impedancia de entrada Zi:
Z I=RP=8Ω
Y para la ganancia de voltaje Av:
AV=V O
V I= hfe. ib . Rc
ib . hie
Simplificando las ib:
AV=V O
V I=hfe. Rc
hie
Reemplazando valores:
AV=V O
V I=
(200 )(4.7KΩ)(1KΩ)
AV=940
La ganancia de voltaje dio positiva, lo que quiere decir que este circuito no desfasa 180° con respecto a la señal de entrada.
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Para la ganancia de corriente Ai:
Ai=I oI i
=
V o
Zo
V i
Z i
=
hfe . ib . RcRC
ib . hieRP
Simplificando las ib y los RC:
Ai=hfe . RPhie
Ai=(200 ) .(8Ω)
(1KΩ)=1.6
DIAGRAMAS ESQUEMATICOS
Montaje del amplificador de audio clase A con mezclador de 2 canales con JFET y vúmetro transistorizado en el Software Livewire.
CONCLUSIONES
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A través de la realización de este proyecto se logro observar la importancia de los transistores, para la creación de amplificadores, con direccionamiento a la creación de un mezclador de audio, con dos canales de entrada, concatenado con un amplificador de clase A, y un vúmetro para visualizar el nivel de la señal.
Al mismo tiempo se pudo aprovechar la alta impedancia de entrada que contienen dichos transistores, logrando el acoplamiento de todo el sistema. Además, el ver como atreves de la inyección de diferentes señales, se logra una buena recepción de estas, sin percepción de ruido en el circuito. Como por último, se puede decir que durante el desarrollo de este proyecto se presentaron diferentes inconvenientes, como por ejemplo el obtener una ganancia en el circuito muy baja dado a una mala polarización del JFET, sin embargo, los objetivos a este informe se han cumplido en su cabalidad. Mostrando así un mezclador de señales con etapa de potencia.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky. “Electrónica: Teoría de circuítos y dispositivos electrónicos”. Pearson Educación, 2003. Octava edición. 1020 páginas.
[2] Clement J. Savant, Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter. “Diseño electrónico: circuitos y sistemas”. Addison-Wesley Longman, 1998. Tercera edición. 1028 páginas.
[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Mesa_de_mezclas_de_audio
[4] http://www.unicrom.com/Tel_RF4.asp
[5] http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%BAmetro
[6]http://mit.ocw.universia.net/6.301/NR/rdonlyres/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-301Solid-State-CircuitsSpring2003/82A6EA09-DDE2-490D-ACE9-5961B8E32912/0/2N3904Motorola2.pdf
[7] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/85129.pdf