5.12: Amplificador de emisor común

PARTES Y MATERIALES

• Un transistor NPN — modelo 2N2222 o 2N3403 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, giro simple, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Una resistencia de 1 MΩ
• Una resistencia de 100 kΩ
• Una resistencia de 10 kΩ
• Una resistencia de 1.5 kΩ

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño de un circuito amplificador simple de emisor común
• Cómo medir la ganancia de voltaje del amplificador
• La diferencia entre un amplificador inversor y un amplificador no inversor
• Formas de introducir retroalimentación negativa en un circuito amplificador

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Construya este circuito y mida el voltaje de salida (voltaje medido entre el terminal del colector del transistor y tierra) y el voltaje de entrada (voltaje medido entre el terminal del limpiaparabrisas del potenciómetro y tierra) para varios ajustes de posición del potenciómetro. Recomiendo determinar el rango de voltaje de salida ya que el potenciómetro se ajusta a través de todo su rango de movimiento, luego elegir varios voltajes que abarcan ese rango de salida para tomar mediciones en. Por ejemplo, si la rotación completa en el potenciómetro impulsa el voltaje de salida del circuito amplificador de 0.1 voltios (bajo) a 11.7 voltios (alto), elija varios niveles de voltaje entre esos límites (1 voltio, 3 voltios, 5 voltios, 7 voltios, 9 voltios y 11 voltios). Midiendo el voltaje de salida con un medidor, ajusta el potenciómetro para obtener cada uno de estos voltajes predeterminados en la salida, anotando la cifra exacta para posterior referencia. Luego, mida el voltaje de entrada exacto que produce ese voltaje de salida y registre esa cifra de voltaje también.

Al final, debe tener una tabla de números que represente varios voltajes de salida diferentes junto con sus correspondientes voltajes de entrada. Tome dos pares de cifras de voltaje y calcule la ganancia de voltaje dividiendo la diferencia en los voltajes de salida por la diferencia en los voltajes de entrada. Por ejemplo, si un voltaje de entrada de 1.5 voltios me da un voltaje de salida de 7.0 voltios y un voltaje de entrada de 1.66 voltios me da un voltaje de salida de 1.0 voltios, la ganancia de voltaje del amplificador es (7.0 - 1.0)/(1.66 - 1.5), o 6 dividido por 0.16: una relación de ganancia de 37.50.

Debe notar inmediatamente dos características al tomar estas mediciones de voltaje: primero, que el efecto de entrada a salida se “invierte”; es decir, un voltaje de entrada creciente da como resultado un voltaje de salida decreciente. Este efecto se conoce como inversión de señal, y este tipo de amplificador como amplificador inversor. En segundo lugar, este amplificador exhibe una ganancia de voltaje muy fuerte: un pequeño cambio en el voltaje de entrada da como resultado un gran cambio en el voltaje de salida. Esto debería estar en marcado contraste con el circuito amplificador “seguidor de voltaje” discutido anteriormente, que tenía una ganancia de voltaje de aproximadamente 1.

Los amplificadores de emisor común son ampliamente utilizados debido a su alta ganancia de voltaje, pero rara vez se usan en una forma tan cruda como esta. Aunque este circuito amplificador trabaja para demostrar el concepto básico, es muy susceptible a los cambios de temperatura. Intenta dejar el potenciómetro en una posición y calentar el transistor agarrándolo firmemente con la mano o calentándolo con alguna otra fuente de calor como un secador de pelo eléctrico (ADVERTENCIA: ¡ten cuidado de no calentarlo tanto que tu tabla de pruebas de plástico se derrita!). También puede explorar los efectos de temperatura enfriando el transistor: toque un cubo de hielo a su superficie y observe el cambio en el voltaje de salida.

Cuando la temperatura del transistor cambia, sus características de diodo base-emisor cambian, lo que resulta en diferentes cantidades de corriente base para el mismo voltaje de entrada. Esto, a su vez, altera la corriente controlada a través del terminal del colector, afectando así el voltaje de salida. Tales cambios pueden minimizarse mediante el uso de retroalimentación de señal, por lo que una parte de la tensión de salida se “retroalimenta” a la entrada del amplificador para tener un efecto negativo, o de cancelación, sobre la ganancia de voltaje. La estabilidad se mejora a expensas de la ganancia de voltaje, una solución de compromiso, pero práctica no obstante.

Quizás la forma más sencilla de agregar retroalimentación negativa a un amplificador de emisor común es agregar cierta resistencia entre el terminal emisor y tierra para que el voltaje de entrada se divida entre la unión PN base-emisor y la caída de voltaje a través de la nueva resistencia:

Repita el mismo ejercicio de medición de voltaje y grabación con la resistencia de 1.5 kΩ instalada, calculando la nueva ganancia de voltaje (reducida). Intente alterar nuevamente la temperatura del transistor y anotar el voltaje de salida para un voltaje de entrada constante. ¿Cambia más o menos que sin la resistencia de 1.5 kΩ?

Otro método para introducir retroalimentación negativa a este circuito amplificador es “acoplar” la salida a la entrada a través de una resistencia de alto valor. Conectar una resistencia de 1 MΩ entre el colector del transistor y los terminales base funciona bien:

Aunque este método diferente de retroalimentación logra el mismo objetivo de aumentar la estabilidad al disminuir la ganancia, los dos circuitos de retroalimentación no se comportarán de manera idéntica. Observe el rango de posibles voltajes de salida con cada esquema de retroalimentación (los valores de voltaje bajo y alto obtenidos con un barrido completo del potenciómetro de voltaje de entrada), y cómo esto difiere entre los dos circuitos.

SIMULACIÓN COMPU

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (hacer un archivo de texto que contenga el siguiente texto, textualmente):

Esta simulación SPICE configura un circuito con una fuente de voltaje CC variable (vin) como señal de entrada y mide la tensión de salida correspondiente entre los nodos 2 y 0. El voltaje de entrada se varía, o “barrido”, de 0 a 2 voltios en incrementos de 0.05 voltios. Los resultados se muestran en una gráfica, con el voltaje de entrada apareciendo como una línea recta y el voltaje de salida como una figura de “paso” donde el voltaje comienza y termina de nivel, con un cambio pronunciado en el medio donde el transistor se encuentra en su modo activo de operación.