5.13: Amplificador multietapa

PARTES Y MATERIALES

• Tres transistores 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
• Tres resistencias de 100 kΩ
• Tres resistencias de 10 kΩ

Referencias cruzadas

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

Objetivos de aprendizaje

• Diseño de un circuito amplificador multietapa de acoplamiento directo de emisor común
• Efecto de retroalimentación negativa en un circuito amplificador

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Al conectar tres circuitos amplificadores de emisor común juntos, el terminal de colector del transistor anterior a la base (resistencia) del siguiente transistor, las ganancias de voltaje de cada etapa se componen para dar una ganancia de voltaje general muy alta. Recomiendo construir este circuito sin la resistencia de retroalimentación de 1 MΩ, para empezar, para ver por ti mismo cuán alta es la ganancia de voltaje sin restricciones. Es posible que le resulte imposible ajustar el potenciómetro para un voltaje de salida estable (que no esté saturado a voltaje de suministro completo o cero), la ganancia es tan alta.

Incluso si no puede ajustar el voltaje de entrada lo suficientemente fino como para estabilizar el voltaje de salida en el rango activo del último transistor, debería poder decir que la relación de salida a entrada es inversora; es decir, la salida tiende a conducir a un voltaje alto cuando la entrada baja, y viceversa. Dado que cualquiera de las “etapas” de emisor común está invirtiendo en sí misma, un número par de amplificadores de emisor común por etapas da respuesta no inversora, mientras que un número impar de etapas da inversión. Puede experimentar estas relaciones midiendo el voltaje de colector a tierra en cada transistor mientras ajusta el potenciómetro de voltaje de entrada, observando si el voltaje de salida aumenta o disminuye con un aumento en el voltaje de entrada.

Conecte la resistencia de retroalimentación de 1 MΩ al circuito, acoplando el colector del último transistor a la base del primero. Dado que la respuesta general de este amplificador de tres etapas es inversora, la señal de retroalimentación proporcionada a través de la resistencia de 1 MΩ desde la salida del último transistor a la entrada del primero debe ser de naturaleza negativa. Como tal, actuará para estabilizar la respuesta del amplificador y minimizar la ganancia de voltaje. Debe notar la reducción en la ganancia inmediatamente por la disminución de la sensibilidad de la señal de salida en los cambios de la señal de entrada (cambios en la posición del potenciómetro). En pocas palabras, el amplificador no es tan “delicado” como lo fue sin la resistencia de retroalimentación en su lugar.

Al igual que con el amplificador simple de emisor común discutido en un experimento anterior, aquí es una buena idea hacer una tabla de cifras de voltaje de entrada versus salida con la que se puede calcular la ganancia de voltaje.

Experimentar con diferentes valores de resistencia a la retroalimentación. ¿Qué efecto cree que tiene una disminución en la resistencia de retroalimentación en la ganancia de voltaje? ¿Qué pasa con un aumento en la resistencia a la retroalimentación? Pruébalo y descúbrelo!

Una ventaja de usar retroalimentación negativa para “domar” un circuito amplificador de alta ganancia es que la ganancia de voltaje resultante se vuelve más dependiente de los valores de resistencia y menos dependiente de las características de los transistores constituyentes. Esto es bueno porque es mucho más fácil fabricar resistencias consistentes que transistores consistentes. Así, es más fácil diseñar un amplificador con ganancia predecible mediante la construcción de una red por etapas de transistores con una ganancia de voltaje arbitrariamente alta, para luego mitigar esa ganancia precisamente a través de retroalimentación negativa. Es este mismo principio el que se utiliza para hacer que los circuitos amplificadores operativos se comporten de manera tan predecible.

Este circuito amplificador está un poco simplificado de lo que normalmente encontrará en prácticos circuitos multietapa. Rara vez se usa una configuración pura de emisor común (es decir, sin resistencia de emisor a tierra), y si el servicio del amplificador es para señales de CA, el acoplamiento entre etapas a menudo es capacitivo con redes divisoras de voltaje conectadas a cada base de transistor para una polarización adecuada de cada etapa. Los circuitos amplificadores de radiofrecuencia a menudo están acoplados por transformador, con condensadores conectados en paralelo con los devanados del transformador para sintonización resonante.

Simulación por computadora

Esquema con números de nodo SPICE:

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

Esta simulación traza el voltaje de salida contra el voltaje de entrada y permite la comparación entre esas variables en forma numérica: una lista de cifras de voltaje impresas a la izquierda de la gráfica. Puede calcular la ganancia de voltaje tomando dos puntos de análisis cualesquiera y dividiendo la diferencia en los voltajes de salida por la diferencia en los voltajes de entrada, tal como lo hace para el circuito real.

Experimente con diferentes valores de resistencia de retroalimentación (rf) y vea el impacto en la ganancia de voltaje general. ¿Te das cuenta de un patrón? Aquí hay una pista: la ganancia de voltaje general puede aproximarse estrechamente usando las cifras de resistencia de r1 y rf, ¡sin referencia a ningún otro componente del circuito!