Diseño de un amplificador con ganancia limitada

Hola de nuevo.

En el artículo de ayer hablé de como polarizar un transistor con polarización de emisor. En concreto este amplificador se denomina amplificador en emisor común y la ganancia que entregaba era la máxima posible, ya que el emisor estaba desacoplado a masa.

En este artículo vamos a ver como podemos limitar la ganancia de una forma sencilla, en el caso de que por ejemplo necesitemos amplificar señales de un nivel de tensión mayor.

Partamos de que tenemos 12 voltios de alimentación, la corriente de colector es de 10 mili-amperios y vamos a usar un BC546B.

¿Que ganancia en continua tiene este transistor? Si consultamos el datasheet, podemos ver lo siguiente:

Figura 1. Obtener del datasheet la hFE

Vemos que la ganancia menor para 2 mili-amperios es de 200. La ganancia en continua (beta o hFE) va de 200 a 450.

Nosotros queremos que la intensidad de colector sea de 10 mili-amperios, no proporcionándonos el fabricante una beta precisa para dicha corriente en la tabla anterior.

El fabricante también nos aporta una gráfica en la que podemos obtener la hFE y en el que se hace mención a una hFE normalizada. Si comparamos la tabla con la gráfica, parece ser que el valor normalizado es de 250, ya que a 2 mili-amperios tendríamos:

Ic = 0.8 \times 250 = 200

Y a 100 mili-amperios:

Ic = 0.5 \times 250 = 125

De esta manera, a 10 mili-amperios tendríamos aproximadamente 250 de hFE. Esta sería nuestra beta.

La elección de una hFE u otra, nos repercutirá solo en los valores del divisor de tensión R1 y R2, cosa que no es demasiado importante para nuestro diseño, ya que nuestro circuito esta retroalimentado por el emisor y es inmune a las variaciones de beta.

Por curiosidad, he medido la beta con un gadget que tengo que me encanta y la hFE queda dentro del margen que indica el datasheet (para los dos mili-amperios según la tabla). Os muestro las fotos:

Figura 2. Mi “Multi-function tester” en acción
Figura 3. La hFE de un BC546B con 2.9 mili-amperios

Vemos pues, que no nos podemos fiar mucho de este dato que como ya he dicho antes, no repercute en nuestro diseño, ya que es polarización por emisor y a este tipo de circuito no le afecta las variaciones de la beta.

Ahora, utilizaremos la utilidad ecomun.py. Ejecutamos el programa: python ecomun.py e introducimos los datos requeridos.

Figura 4. Salida de resultados del programa ecomun.py

Si dibujamos el esquemático en LTspice y lo simulamos después, obtendremos las mismas tensiones y corrientes que nos entregó el programa ecomun.py.

Figura 5. Esquema del amplificador con ganancia limitada.

A continuación muestro la señal de entrada y la de salida:

Figura 6. Haz click para ampliar

Como podemos ver en el circuito del amplificador de la figura 5, tiene dos resistencias en serie en el emisor. Esto se hace para reducir la ganancia del amplificador. La suma de las dos debe de ser 120 ohmios, para no movernos del punto Q establecido.

La ganancia total es el cociente de la tensión de salida entre la de entrada.

Según la teoría (en un próximo artículo hablaré de ello) se llega a la conclusión de que la ganancia es la siguiente:

Av = \frac{RC // RLOAD}{r'e + RE}

r’e es una resistencia interna del transistor que calcularemos posteriormente y que depende de la corriente del emisor.

Veamos cual sería la ganancia:

RC // RLOAD = \frac{480 \times 50}{480 + 1000} = 324.32 \, \Omega

r'e = \frac{25mV}{IC} = 2.5 \, \Omega

Av = \frac{324.32}{2.5 + 50} = 6.18 \, veces

La tensión de pico de salida sería entonces la siguiente:

Vout = 500mV \times 6.18 = 3.09 \, voltios

Vemos que coincide con lo simulado.

Espero que el artículo os haya gustado y nada mas, hasta el próximo.

REFERENCIAS:

Principios de Electrónica. Malvino, séptima edición.

Autor: Jose M. Dominguez

Ingeniero Técnico Electrónico y administrador del blog. Aficionado a todo lo que esté relacionado con la tecnología, la informática y tecnología. @300baudios

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