Este documento describe un amplificador multi-etapa con dos transistores BJT. Explica que la configuración Par Sziklai funciona de manera similar a un solo transistor con alta ganancia de corriente y se usa comúnmente en etapas de salida de audio. Realiza un análisis DC para encontrar los puntos de operación de cada transistor y un análisis AC para calcular la impedancia de entrada, la impedancia de salida y la ganancia del circuito, concluyendo que la ganancia de voltaje es alta y la ganancia de corriente es moderada
IPERC Y ATS - SEGURIDAD INDUSTRIAL PARA TODA EMPRESA
Amplificadores multi-etapa parte 4: Análisis DC y AC del par Sziklai
1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL
CUSCO
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, INFORMÁTICA
Y MECÁNICA
Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica
Laboratorio de Circuitos electrónicos II
INFORME
Presentada por:
Est. Watner Ochoa Núñez 171174
Docente:
Prof. Ing. Rossy Uscamaita Quispetupa
CUSCO – PERÚ
2021
N°4: AMPLIFICADORES MULTIETAPA PARTE 4
2. TEMA 4: ¨AMPLIFICADORES MULTIETAPA PARTE 4¨
I. INFORME PREVIO
1. Mencione las aplicaciones de la conexión Par Sziklai
CONEXIÓN PAR DE REALIMENTACIÓN O PAR SZIKLAI
Es un circuito de dos transistores que opera como el Circuito de Darlington, como se
observa en la figura 1 el par utiliza un transistor pnp que controla un transistor npn, los
dos dispositivos actúan de manera efectiva como un transistor pnp. Al igual que con
una conexión Darlington, el par de retroalimentación proporciona una Ai muy alta, alta
Zi, baja Zo y una Av un poco menos de uno.
Figura 1. Par Sziklai del tipo PNP.
Características:
• La caída de voltaje base-emisor del par Sziklai es igual a la caída de voltaje de
un transistor normal.
• Necesita menos tensión para conducir que un Darlington.
• El par Sziklai tiene tiempos de respuesta más lentos que un solo transistor, para
ello debemos incluir una resistencia de derivación.
• Voltaje de saturación más alto que un Darlington.
• El par Sziklai proporciona un mejor nivel de linealidad que el par Darlington, lo
que puede resultar ventajoso especialmente en aplicaciones de audio.
• La estabilidad térmica del par Darlington es menor que la del par Sziklai.
Figura 2. Las resistencias se ponen para
disminuir el tiempo de conmutación.
3. Aplicaciones de la configuración de Darlington:
Amplificadores de audio clase AB
Amplificadores de potencia de audio
Etapas de salida de audio de amplificador
El par sziklai funciona como un solo transistor con una gran ganancia de
corriente.
El par Sziklai se usa normalmente en la etapa de salida del circuito amplificador
push-pull.
Figura 3. Amplificador de potencia para audio clase AB.
2. Análisis DC
1. Encuentre el punto Q (𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼, 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉) de operación para cada transistor de la figura
4, asuma β=150.
Figura 4.
5. 3. Análisis AC
1. Calcule el voltaje de salida usando una entrada sinusoidal con (50𝑚𝑚V pk y
1𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾), luego determine la ganancia de voltaje y la ganancia de corriente.
(Comente su respuesta).
Para el análisis en ac, los capacitores se comportan como circuito cerrado y las
fuentes de tensión de dc también se comportan como circuito cerrado, y nosotros
ultizaremos el modelo Re del transistor BJT.
Entonces:
Acomodando, el circuito quedara así:
Consideraciones importantes: 𝛽𝛽 + 1 ≈ 𝛽𝛽
𝑟𝑟𝑒𝑒1 =
25𝑚𝑚𝑚𝑚
0.78𝑚𝑚 𝐴𝐴
= 32.05 𝑂𝑂ℎ𝑚𝑚
𝑟𝑟𝑒𝑒2 =
25𝑚𝑚𝑚𝑚
117𝑚𝑚 𝐴𝐴
= 0.21 𝑂𝑂ℎ𝑚𝑚
Para la impedancia de entrada(𝒁𝒁𝒊𝒊):
𝐼𝐼𝑏𝑏1 =
𝑉𝑉
𝑜𝑜 − 𝑉𝑉𝑖𝑖
𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1
𝑉𝑉
𝑜𝑜 = 𝐼𝐼𝑥𝑥(75 ∥ 500) = (−𝐼𝐼𝑏𝑏1 − 𝛽𝛽1𝐼𝐼𝑏𝑏1 − 𝛽𝛽2𝐼𝐼𝑏𝑏2)(75 ∥ 500)
𝛽𝛽2𝐼𝐼𝑏𝑏2 ≫ 𝛽𝛽1𝐼𝐼𝑏𝑏1 ≫ 𝐼𝐼𝑏𝑏1
𝑉𝑉
𝑜𝑜 ≈ −𝛽𝛽2𝐼𝐼𝑏𝑏2(75 ∥ 500)
6. 𝑉𝑉
𝑜𝑜 = 𝑉𝑉𝑖𝑖 + 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1𝐼𝐼𝑏𝑏1
𝑉𝑉𝑖𝑖 = 𝑉𝑉
𝑜𝑜 − 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1𝐼𝐼𝑏𝑏1 = −𝛽𝛽2𝐼𝐼𝑏𝑏2(75 ∥ 500) − 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1𝐼𝐼𝑏𝑏1
𝐼𝐼𝑏𝑏2 = 𝛽𝛽1𝐼𝐼𝑏𝑏1
𝑉𝑉𝑖𝑖 = −𝛽𝛽2𝛽𝛽1𝐼𝐼𝑏𝑏1(75 ∥ 500) − 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1𝐼𝐼𝑏𝑏1
𝑉𝑉𝑖𝑖 = −[ 𝛽𝛽2𝛽𝛽1(75 ∥ 500) + 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1]𝐼𝐼𝑏𝑏1
El signo negativo indica que 𝐼𝐼𝑏𝑏1 va en sentido contrario a lo tomando
inicialmente.
𝑍𝑍𝑖𝑖
′
=
𝑉𝑉𝑖𝑖
𝐼𝐼𝑏𝑏1
= 𝛽𝛽2𝛽𝛽1(75 ∥ 500) + 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1
Por lo tanto:
𝑍𝑍𝑖𝑖 = 2𝑀𝑀 ∥ 𝑍𝑍𝑖𝑖
′
𝑍𝑍𝑖𝑖 = 2𝑀𝑀 ∥ [ 𝛽𝛽2𝛽𝛽1(75 ∥ 500) + 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1]
𝑍𝑍𝑖𝑖 = 2𝑀𝑀 ∥ [ 1502(75 ∥ 500) + 150(32.05)]
𝑍𝑍𝑖𝑖 = 2𝑀𝑀 ∥ 1.47𝑀𝑀
𝒁𝒁𝒊𝒊 = 𝟎𝟎. 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶
Para la impedancia de salida(𝒁𝒁𝒐𝒐): 𝑉𝑉𝑖𝑖 = 0
𝐼𝐼𝑐𝑐 = −𝐼𝐼𝑏𝑏1 − 𝛽𝛽1𝐼𝐼𝑏𝑏1 − 𝛽𝛽2𝐼𝐼𝑏𝑏2 ∧ 𝐼𝐼𝑏𝑏2 = 𝛽𝛽1𝐼𝐼𝑏𝑏1
𝐼𝐼𝑐𝑐 ≈ −𝛽𝛽2𝛽𝛽1𝐼𝐼𝑏𝑏1
𝑍𝑍𝑜𝑜
′
=
𝑉𝑉
𝑜𝑜
𝐼𝐼𝑐𝑐
=
𝑉𝑉
𝑜𝑜
−𝛽𝛽2𝛽𝛽1𝐼𝐼𝑏𝑏1
∧ 𝐼𝐼𝑏𝑏1 =
𝑉𝑉
𝑜𝑜
𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1
El signo negativo nos confirma claramente que 𝐼𝐼𝑏𝑏1 va en sentido contrario a los
elegido inicialmente.
𝑍𝑍𝑜𝑜
′
==
𝑉𝑉
𝑜𝑜
𝛽𝛽2𝛽𝛽1(
𝑉𝑉
𝑜𝑜
𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1
)
=
𝑟𝑟𝑒𝑒1
𝛽𝛽2
Por lo tanto:
𝑍𝑍𝑜𝑜 = 75 ∥ 𝑍𝑍𝑜𝑜
′
𝑍𝑍𝑜𝑜 = 75 ∥
𝑟𝑟𝑒𝑒1
𝛽𝛽2
= 75 ∥
32.05
150
𝒁𝒁𝒐𝒐 = 𝟎𝟎. 𝟐𝟐𝟐𝟐 𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶
7. Ahora para determinar la ganancia de voltaje y corriente, utilizaremos el Método
de los sistemas de dos puertos(Bipuertos), ya que trabajaremos con una
resistencia de carga:
Donde:
𝐴𝐴𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉: Ganancia de voltaje sim carga y sin resistencia de fuente
Nuestro modelo para nuestro circuito, utilizando el método de los sistemas de dos
puertos(Bipuertos) es el siguiente:
Por lo tanto, para nuestro caso primero determinaremos la ganancia sim
resistencia de carga.
𝑉𝑉
𝑜𝑜 = 𝐼𝐼𝑐𝑐(75) ≈ −𝛽𝛽1𝛽𝛽2𝐼𝐼𝑏𝑏1(75)
𝐼𝐼𝑏𝑏1 =
𝑉𝑉
𝑜𝑜 − 𝑉𝑉𝑖𝑖
𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1
𝑉𝑉
𝑜𝑜 = 𝑉𝑉𝑖𝑖 + 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1𝐼𝐼𝑏𝑏1 = 𝑉𝑉𝑖𝑖 + 𝛽𝛽1𝑟𝑟𝑒𝑒1(−
𝑉𝑉
𝑜𝑜
𝛽𝛽1𝛽𝛽2(75)
)
𝑉𝑉
𝑜𝑜 �1 +
𝑟𝑟𝑒𝑒1
𝛽𝛽2(75)
� = 𝑉𝑉𝑖𝑖
𝐴𝐴𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 =
𝑉𝑉
𝑜𝑜
𝑉𝑉𝑖𝑖
=
𝛽𝛽2(75)
𝛽𝛽2(75) + 𝑟𝑟𝑒𝑒1
=
150(75)
150(75) + 32.05
𝑨𝑨𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽 = 𝟎𝟎. 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗
8. Entonces, el modelo es:
Aplicando divisor de voltaje:
𝑉𝑉
𝑜𝑜 =
0.997(500)𝑉𝑉𝑖𝑖
500 + 0.21
= 0.996 𝑉𝑉𝑖𝑖
𝑨𝑨𝑽𝑽 =
𝑽𝑽𝒐𝒐
𝑽𝑽𝒊𝒊
= 𝟎𝟎. 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗
𝐴𝐴𝑖𝑖 =
𝐼𝐼𝑜𝑜
𝐼𝐼𝑖𝑖
= 𝐴𝐴𝑉𝑉
𝑍𝑍𝑖𝑖
𝑅𝑅𝐿𝐿
= 0.996
0.85𝑀𝑀
500
𝑨𝑨𝒊𝒊 =
𝑰𝑰𝒐𝒐
𝑰𝑰𝒊𝒊
= 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏. 𝟐𝟐
Este valor de ganancias ya venía venir, ya el par de retroalimentación está en
la configuración de colector común, y por teoría sabemos que su ganancia es
próxima a 1, sim desfase, pero tiene una ganancia de corriente razonable
grande.
Para nuestro caso nos dan una fuente sinusoidal de 50m𝑉𝑉pk a 1KHz, sacamos
el valor rms de la fuente de entrada:
𝑉𝑉𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟(𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓) =
50𝑚𝑚𝑚𝑚
√2
= 35.36𝑚𝑚𝑚𝑚
Entonces, la tensión de salida es:
𝑉𝑉
𝑜𝑜 = 𝐴𝐴𝑉𝑉 ∗ 𝑉𝑉𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟(𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓) = 0.996 ∗ 35.36𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑉𝑉
𝑜𝑜 = 35.22𝑚𝑚 𝑉𝑉
2. Encuentre la impedancia de entrada y la impedancia de salida del circuito.
Estos valores de 𝒁𝒁𝒊𝒊 𝒚𝒚 𝒁𝒁𝒐𝒐 en el inciso anterior lo resolvimos, por ende, los
valores calculados son:
𝒁𝒁𝒊𝒊 = 𝟎𝟎. 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶
𝒁𝒁𝒐𝒐 = 𝟎𝟎. 𝟐𝟐𝟐𝟐 𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶
Estos resultados también ya se veían venir, uno por el tipo de configuración y
también el par de retroalimentación.
9. II. EXPERIMENTO
1. Muestre en el multímetro las corrientes y voltajes del amplificador.
Para las corrientes:
La corriente de la fuente es 41.528n A y en la carga es 70.438u A, por ende la
ganancia de corrientes es 𝐴𝐴𝑖𝑖 = 1696.15 y está ganancia difiere en 0.0017 respecto
a la ganancia teórica, al igual que la tensión, la corriente va depender también de la
frecuencia, pero por la configuración no va existir una variación muy notable.
Para una frecuencia de 100M Hz:
La corriente de la fuente es 41.537n A y en la carga es 70.471u A, por ende la
ganancia de corrientes es 𝐴𝐴𝑖𝑖 = 1696.58 y está ganancia difiere en 0.001 respecto a
la ganancia teórica, al igual que la tensión, la corriente va depender también de la
frecuencia, pero en nuestro caso el circuito es estable debido a la configuración
empleada del par de retroalimentación.
10. Para los voltajes:
Se ve claramente que la fuente tiene un valor de tensión rms de 35.355m V y
la tensión en la carga es 35.219m V, por ende la ganancia de tensión en
amplificador es 𝐴𝐴𝑉𝑉 = 0.996, que es igual al valor teórico.
Para una frecuencia de 100M Hz:
Se ve claramente que la fuente tiene un valor de tensión rms de 35.354mV y
la tensión en la carga es 35.236mV, por ende la ganancia de tensión en
amplificador es 𝐴𝐴𝑉𝑉 = 0.996, que es igual al valor teórico y se ve claramente que
no existió variaciones cuando aumentamos la frecuencia de la fuente, por ende este
tipo de configuración es muy estable a comparación de un par Darlington.
11. 2. Muestre las medidas y forma de onda del voltaje de entrada y salida en el
osciloscopio. (Usar fondo blanco en el osciloscopio).
No estoy utilizando en fondo blanco, ya que osciloscopio Tektronic no tiene esa
opción, además los demás osciloscopios no te votan rms, frecuencia, desfase, etc.
Para una frecuencia de 1k Hz:
Se ve claramente que la fuente tiene un valor de tensión rms de 35.3mV y la
tensión en la carga es 35.2V, por ende la ganancia de tensión en amplificador
es 𝐴𝐴𝑉𝑉 = 0.997, y no existe desfase, la ganancia de tensión difiere respecto a la
teórica en 0.001,por ende se podría considerar iguales a las ganancias teóricas y
simulada.
Para una frecuencia de 100M Hz:
Se ve claramente que la fuente tiene un valor de tensión rms de 35.3mV y la
tensión en la carga es 35.2mV, por ende la ganancia de tensión en
amplificador es 𝐴𝐴𝑉𝑉 = 0.997, y no desfase, por lo tanto nos confirma claramente
que el par de retroalimentación es un circuito muy estable.
12. 3. Simule el circuito de la figura 5
Figura 5.
4. Identifique que tipo de conexión Darlington o Sziklai tiene el circuito de la figura 5
Como se observa en la imagen existe la conexión Darlington NPN y Sziklai NPN:
5. Mida con un osciloscopio las señales de salida y entrada.
13. En el osciloscopio:
Canal 1: Fuente
Canal 2: Salida de Sziklai NPN
Canal 3: Salida de Darlington NPN
Entonces:
6. Analice las señales de salida y entrada (comente que es lo que observa).
Como se observa la señal de entra es de 6V rms, la salida de Sziklai NPN es 5.55Vrms
y la salida de Darlington NPN es 5.57Vrms, para la salida de Sziklai y Darlington.
Existe una inversión de fase de 180 grados, también la salida del canal 2 y 3 son
casi iguales esto es debido Sziklai y Darlington se comportan un transistor del tipo
NPN y que sus ganancias de tensión son casi iguales también.
III. INFORME FINAL
1. Haga un análisis de los resultados teóricos y simulados
Corriente:
Teórico:
𝐴𝐴𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 1693.2
Simulado:
𝐴𝐴𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 1696.15
𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = �
𝐴𝐴𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝐴𝐴𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
𝐴𝐴𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
� ∗ 100%
𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = �
1693.2 − 1696.15
1693.2
� ∗ 100% = 0.174%
Como se observó el error porcentual de la ganancia de corriente es 0.174%,
eso significa que nuestro cálculo teórico y experimental son casi iguales y que
tenemos un error de medición muy bajo, por ende, se hizo un buen análisis
teórico y también se medió en el laboratorio de manera correcta y esto lo
demuestra nuestros resultados obtenidos.
14. Voltaje:
Teórico:
𝐴𝐴𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0.996
Simulado:
𝐴𝐴𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0.996
𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = �
𝐴𝐴𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝐴𝐴𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉
𝐴𝐴𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉
� ∗ 100%
𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = �
0.996 − 0.996
0.996
� ∗ 100% = 0%
Como se observó el error porcentual de la ganancia de voltaje es 0%, eso
significa que nuestro cálculo teórico y experimental son iguales y que no
tenemos un error de medición o, por ende, se hizo un buen análisis teórico y
también se medió en el laboratorio de manera correcta y esto lo demuestra
nuestros resultados obtenidos.
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
• Es bueno hacer un análisis teórico, para comprobar y guiarnos al momento de
la experimenta de laboratorio, ya que momento de comparar van diferir un
poco esto es debido a muchos factores como tolerancia de las resistencias,
mala precisión de medir, considerar modelos completos del transistor, ruido
eléctrico, etc.
• Una conexión Par de Retroalimentación proporciona un transistor que tiene
una ganancia de corriente muy grande, casi siempre da unos cuantos de miles.
• En emisor-seguidor (colector común) podemos deducir que la ganancia
tención es aproximadamente 1.
• El Beta en conexión Sziklai es del orden de los miles. Al ser un producto de
dos betas de alrededor de centenas.
• Una conexión Sziklai es una conexión de dos transistores BJT opuestos cuya
ganancia de corriente total es igual al producto de las ganancias de corrientes
individuales. Dado que: Ai es muy alta, Zi es alta y Zo es baja.
• El Método de los sistemas de dos puertos(Bipuertos) es muy eficiente para
cálculos en donde se considere la resistencia de carga y fuente.
• Una conexión Sziklai es sistema muy estable.
• Una conexión Sziklai el desfase no es muy notorio a comparación de una conexión
Darlington.
Comentario:
Está experiencia 4, me gustó mucho, ya que reforcé la teoría del método de los
sistemas de puertos, y con la ayuda del simulador Multisim pude comprobar los
circuitos planteados en esta experiencia, lo cual me dejo satisfecho y muy feliz.
15. BIBLIOGRAFIA
• Huircan, J. & Carrillo, R. (2011). El Transistor de juntura bipolar (BJT). Temuco:
Universidad de la Frontera
• SAVANT, C.J.; RODEN, Martín; CARPENTER, Gordon. “Diseño Electrónico”. 3ra.
Edición. Edit. Pearson Educación. México. 2000
• MALIK, Norbet. “Circuitos Electrónicos”. 5ta. Edición. Edit. Prentice Hall
Hispanoamericana S.A. España. 1996
• HORENSTEIN, Mark. “Microelectrónica: Circuitos y dispositivos”. 2da. Edición. Edit.
Prentice Hall Hispanoamericana S.A. México. 1997