Diseño de Amplificador Emisor Común Multi-Etapa de Alta Ganancia con Realimentación Negativa

En este tutorial construimos un amplificador emisor común de tres etapas que demuestra cómo la realimentación negativa puede domar alta ganancia de voltaje y mejorar estabilidad.

Componentes y Materiales

• Tres transistores NPN (2N2222 o 2N3403; Radio Shack #276-1617 es kit conveniente de 15 piezas).
• Dos baterías de 6 V (o una sola fuente de 12 V).
• Un potenciómetro de 10 kΩ, una vuelta, lineal (Radio Shack #271-1715).
• Una resistencia de 1 MΩ.
• Tres resistencias de 100 kΩ.
• Tres resistencias de 10 kΩ.

Referencias Cruzadas

Lessons In Electric Circuits, Volumen 3, capítulo 4: "Transistores de Unión Bipolar".

Objetivos de Aprendizaje

• Diseñar un circuito amplificador emisor común multi-etapa, acoplado directamente.
• Comprender el impacto de la realimentación negativa en el rendimiento del amplificador.

Diagrama Esquemático

 

 

Ilustración

 

 

Instrucciones

Conecta tres etapas emisor común en serie: el colector de cada transistor impulsa la base del siguiente a través de una resistencia de 10 kΩ. Este arreglo multiplica las ganancias de etapa individuales para producir una ganancia de voltaje global muy alta.

Comienza omitiendo la resistencia de realimentación de 1 MΩ. Con parámetros de transistor al máximo, verás una ganancia casi ilimitada que satura la salida en los rieles de alimentación para señales de entrada modestas. Si no puedes ajustar el potenciómetro a una salida estable en la región activa, la característica de inversión básica seguirá siendo evidente: a medida que la entrada sube, la salida baja y viceversa.

Como cada etapa emisor común invierte, un número par de etapas produce respuesta global no inversora mientras que un número impar da salida invertida. Verifica esto midiendo voltaje colector-a-tierra en cada transistor mientras barras el potenciómetro de entrada y observando si la salida sube o baja con aumento de entrada.

Ahora agrega la resistencia de realimentación de 1 MΩ desde el colector del último transistor de vuelta a la base del primero. Como el amplificador de tres etapas está invertido, la señal de realimentación es inherentemente negativa y estabilizará el circuito, reduciendo dramáticamente la sensibilidad a variaciones de entrada.

Con realimentación en lugar, el amplificador se comporta mucho más predeciblemente. Registra una tabla de voltajes entrada-vs-salida y calcula la ganancia de voltaje. Prueba diferentes valores para la resistencia de realimentación: disminuirla subirá la ganancia, mientras aumentarla la bajará. El resultado es una ganancia predecible, dependiente de resistencias, en lugar de una que varíe con tolerancias de transistores.

En la práctica, amplificadores multi-etapa reales incorporan resistencias emisor-a-tierra para estabilidad de polarizado, acoplamiento capacitivo entre etapas, y divisores de voltaje para polarizado. Diseños de alta frecuencia a menudo usan transformadores con capacitores resonantes. No obstante, los principios demostrados aquí sustentan la operación de amplificadores operacionales y muchos circuitos amplificadores profesionales.

Simulación por Computadora

Esquemático con números de nodo SPICE:

 

 

Netlist (copia el siguiente texto textualmente en un archivo .cir):

Amplificador multi-etapa
vsupply 1 0 dc 12
vin 2 0
r1 2 3 100k
r2 1 4 10k
q1 4 3 0 mod1
r3 4 7 100k
r4 1 5 10k
q2 5 7 0 mod1
r5 5 8 100k
r6 1 6 10k
q3 6 8 0 mod1
rf 3 6 1meg
.model mod1 npn bf=200
.dc vin 0 2.5 0.1
.plot dc v(6,0) v(2,0)
.end

Esta simulación grafica voltaje de salida versus voltaje de entrada, permitiendo calcular ganancia de voltaje numéricamente. Experimenta con diferentes valores de rf y observa cómo cambia la ganancia global. La ganancia puede aproximarse usando solo los valores de resistencia de r1 y rf.

Hoja de Trabajo Relacionada

• Hoja de Trabajo de Amplificadores Transistor Multi-Etapa