Caso práctico: Amplificador de audio simple

Prototipo de Amplificador de audio simple (Maker Style)

Nivel: Básico. Construye un circuito para amplificar una señal de audio débil utilizando un transistor NPN en configuración de emisor común.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirás un amplificador clásico de Clase A de una sola etapa utilizando un transistor NPN con polarización por divisor de voltaje. Introducirás una pequeña señal de CA (que representa audio) y observarás una oscilación de voltaje mayor en la salida.

  • Por qué es útil:

    • Preamplificación: Aumenta las señales débiles de los micrófonos antes de que lleguen a un amplificador de potencia.
    • Acondicionamiento de señal: Eleva los niveles de salida de los sensores para que sean legibles por microcontroladores.
    • Procesamiento analógico: Bloque de construcción fundamental para filtros, osciladores y mezcladores.
    • Adaptación de impedancia: Amortigua fuentes de alta impedancia para manejar cargas de menor impedancia (dependiendo de la configuración específica).

  • Resultado esperado:

    • Punto de operación de CC: VCE se estabiliza alrededor de la mitad del voltaje de alimentación (VCC / 2) para una máxima oscilación.
    • Amplificación: El voltaje de salida de CA (Vout) es significativamente mayor que la entrada (Vin), indicando Ganancia de Voltaje (Av > 1).
    • Inversión de fase: La forma de onda de la señal de salida está invertida (180^\circ) en relación con la entrada.
    • Flujo de corriente: IC es controlada por IB de acuerdo con la beta (\beta) del transistor.

  • Público objetivo y nivel: Estudiantes con conocimientos básicos de la Ley de Ohm e identificación de componentes.

Materiales

  • V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación de banco, función: alimentación principal del circuito.
  • V2: Generador de señales (Onda senoidal, 1 kHz, 20 mV pico a pico), función: simula una entrada de audio débil.
  • Q1: BJT NPN 2N3904 (o 2N2222), función: elemento amplificador activo.
  • R1: Resistencia de 22 kΩ, función: divisor de polarización de base superior.
  • R2: Resistencia de 6.8 kΩ, función: divisor de polarización de base inferior.
  • R3: Resistencia de 4.7 kΩ, función: carga del colector (establece la ganancia y la impedancia de salida).
  • R4: Resistencia de 1 kΩ, función: degeneración del emisor (establece la estabilidad de CC).
  • C1: Condensador electrolítico de 10 µF, función: bloqueo de CC de entrada.
  • C2: Condensador electrolítico de 10 µF, función: bloqueo de CC de salida.
  • C3: Condensador electrolítico de 100 µF, función: bypass del emisor (aumenta la ganancia de CA).

Guía de conexionado

Usa los siguientes nodos para conectar tu circuito: VCC (9 V), 0 (GND), BASE, COLL, EMIT, VIN, VOUT.

  • V1: Terminal positivo conecta a VCC, terminal negativo conecta a 0.
  • V2: Salida de señal conecta a VIN, Tierra conecta a 0.
  • R1: Conecta entre VCC y BASE.
  • R2: Conecta entre BASE y 0.
  • R3: Conecta entre VCC y COLL.
  • R4: Conecta entre EMIT y 0.
  • Q1: Pin del colector a COLL, pin de la base a BASE, pin del emisor a EMIT.
  • C1: Pata positiva a BASE, pata negativa a VIN.
  • C2: Pata positiva a COLL, pata negativa a VOUT (Carga/Sonda del osciloscopio conecta aquí).
  • C3: Pata positiva a EMIT, pata negativa a 0 (Colocar en paralelo con R4).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Common Emitter Amplifier
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Title: Practical case: Simple audio amplifier

      (BIAS & INPUT NETWORK)                               (POWER & OUTPUT NETWORK)
      ======================                               ========================

                                                           VCC (9 V)
      VCC (9 V)                                                |
         |                                                    |
         v                                                    v
    [ R1: 22k ]                                          [ R3: 4.7k ]
         |                                                    |
         v                                                    v
      (BASE) --------(Control Signal)----------------> [ Q1: Collector ] <--(COLL)--+
         ^                                                    |                     |
         |                                                    | (Amplified Current) |
    [ C1: 10uF ] <--(VIN)-- [ V2: Source ]                    v                     |
         |                                             [ Q1: Emitter ]              +--> [ C2: 10uF ] --> VOUT
         v                                                    |
    [ R2: 6.8k ]                                              v
         |                                                  (EMIT)
         v                                                    |
        GND                                       +-----------+-----------+
                                                  |                       |
                                                  v                       v
                                             [ R4: 1k ]             [ C3: 100uF ]
                                                  |                       |
                                                  v                       v
                                                 GND                     GND
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Realiza estas pruebas utilizando un multímetro (DMM) y un osciloscopio (si está disponible).

  1. Comprobación de polarización de CC (Punto de reposo):

    • Asegúrate de que V2 (fuente de CA) esté APAGADA o desconectada.
    • Mide el voltaje de COLL a 0. Debería ser aproximadamente de 4 V a 5 V (aproximadamente la mitad de VCC).
    • Mide el voltaje de EMIT a 0. Debería ser aproximadamente 1 V (VE).
    • Mide el voltaje de BASE a EMIT (VBE). Debe ser ~0.65 V a 0.7 V para que el transistor esté activo.

  2. Cálculo de corriente:

    • Calcula la corriente de colector (IC): IC ≈ VEMIT / R4. Espera aprox. 1 mA.
    • Calcula la corriente de base (IB): IC / \beta (asumiendo \beta ≈ 100, IB ≈ 10 µ A).

  3. Verificación de ganancia de CA:

    • Conecta V2 (VIN) con una onda senoidal de 20 mV pico a pico a 1 kHz.
    • Mide el voltaje pico a pico en VOUT.
    • Calcula la ganancia de voltaje (Av): Av = Voutpp / Vinpp.
    • Observación: Sin C3, la ganancia es baja (≈ R3 / R4). Con C3 conectado, la ganancia debería aumentar significativamente.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Simple audio amplifier

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input Signal ---
* V2: Signal Generator (Sine wave, 1 kHz, 20 mV peak-to-peak -> 10mV Amplitude)
V2 VIN 0 SIN(0 10m 1k)

* --- Components ---
* Q1: 2N3904 NPN BJT
Q1 COLL BASE EMIT 2N3904

* R1: Upper base bias divider
R1 VCC BASE 22k

* R2: Lower base bias divider
R2 BASE 0 6.8k

* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Simple audio amplifier

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input Signal ---
* V2: Signal Generator (Sine wave, 1 kHz, 20 mV peak-to-peak -> 10mV Amplitude)
V2 VIN 0 SIN(0 10m 1k)

* --- Components ---
* Q1: 2N3904 NPN BJT
Q1 COLL BASE EMIT 2N3904

* R1: Upper base bias divider
R1 VCC BASE 22k

* R2: Lower base bias divider
R2 BASE 0 6.8k

* R3: Collector load
R3 VCC COLL 4.7k

* R4: Emitter degeneration
R4 EMIT 0 1k

* C1: Input DC blocking (Positive leg to BASE, Negative leg to VIN)
C1 BASE VIN 10u

* C2: Output DC blocking (Positive leg to COLL, Negative leg to VOUT)
C2 COLL VOUT 10u

* C3: Emitter bypass (Positive leg to EMIT, Negative leg to 0)
C3 EMIT 0 100u

* --- Load Simulation ---
* High impedance load to simulate scope probe and prevent floating node error at VOUT
R_SCOPE VOUT 0 1Meg

* --- Models ---
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=300 IKF=0.4 XTB=1.5 BR=4 CJC=4E-12 CJE=8E-12 RB=20 RC=0.1 RE=0.1 TR=250n TF=350p ITF=1 VTF=2 XTF=3)

* --- Analysis Directives ---
.op
.tran 10u 5ms

* --- Output ---
* Prints Input and Output voltages, plus internal transistor nodes
.print tran V(VIN) V(VOUT) V(BASE) V(COLL) V(EMIT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (511 rows) 
Index   time            v(vin)          v(vout)         v(base)         v(coll)         v(emit)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	2.100182e+00	2.275541e+00	1.435514e+00
1	1.000000e-07	6.283185e-06	-1.11372e-03	2.100188e+00	2.274427e+00	1.435514e+00
2	2.000000e-07	1.256637e-05	-2.51792e-03	2.100195e+00	2.273023e+00	1.435514e+00
3	4.000000e-07	2.513271e-05	-5.47602e-03	2.100207e+00	2.270065e+00	1.435514e+00
4	8.000000e-07	5.026527e-05	-1.15278e-02	2.100232e+00	2.264013e+00	1.435514e+00
5	1.600000e-06	1.005293e-04	-2.35622e-02	2.100283e+00	2.251979e+00	1.435514e+00
6	3.200000e-06	2.010484e-04	-4.77358e-02	2.100383e+00	2.227805e+00	1.435514e+00
7	6.400000e-06	4.020155e-04	-9.61836e-02	2.100584e+00	2.179357e+00	1.435514e+00
8	1.280000e-05	8.033810e-04	-1.93689e-01	2.100985e+00	2.081852e+00	1.435516e+00
9	2.280000e-05	1.427671e-03	-3.47124e-01	2.101609e+00	1.928416e+00	1.435522e+00
10	3.280000e-05	2.046327e-03	-5.01331e-01	2.102227e+00	1.774210e+00	1.435531e+00
11	4.280000e-05	2.656907e-03	-6.48595e-01	2.102836e+00	1.626945e+00	1.435544e+00
12	5.280000e-05	3.257002e-03	-7.15494e-01	2.103433e+00	1.560045e+00	1.435558e+00
13	6.280000e-05	3.844242e-03	-7.38189e-01	2.104013e+00	1.537349e+00	1.435575e+00
14	7.280000e-05	4.416311e-03	-7.50146e-01	2.104572e+00	1.525391e+00	1.435592e+00
15	8.280000e-05	4.970951e-03	-7.58389e-01	2.105109e+00	1.517147e+00	1.435610e+00
16	9.280000e-05	5.505973e-03	-7.63991e-01	2.105621e+00	1.511545e+00	1.435628e+00
17	1.028000e-04	6.019265e-03	-7.68326e-01	2.106106e+00	1.507209e+00	1.435647e+00
18	1.128000e-04	6.508802e-03	-7.71816e-01	2.106563e+00	1.503719e+00	1.435667e+00
19	1.228000e-04	6.972652e-03	-7.74681e-01	2.106990e+00	1.500853e+00	1.435687e+00
20	1.328000e-04	7.408984e-03	-7.77018e-01	2.107384e+00	1.498515e+00	1.435707e+00
21	1.428000e-04	7.816076e-03	-7.78966e-01	2.107746e+00	1.496566e+00	1.435728e+00
22	1.528000e-04	8.192321e-03	-7.80567e-01	2.108073e+00	1.494964e+00	1.435750e+00
23	1.628000e-04	8.536235e-03	-7.81896e-01	2.108365e+00	1.493635e+00	1.435772e+00
... (487 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Inversión del pin-out del transistor: Intercambiar el Colector y el Emisor impide la amplificación y actúa como un diodo polarizado inversamente.
    • Solución: Verifica dos veces la hoja de datos del 2N3904 (E-B-C lado plano hacia ti) antes de insertar.
  2. Polaridad del condensador: Los condensadores electrolíticos (C1, C2, C3) explotan o fallan si se polarizan al revés.
    • Solución: Asegúrate de que el terminal positivo (pata más larga) esté orientado hacia el potencial de CC más positivo (hacia la base/colector del transistor).
  3. Saturación o corte: El uso de valores de resistencia incorrectos desplaza el punto Q, causando que la señal se recorte (aplane) inmediatamente.
    • Solución: Verifica los voltajes de CC en el Colector antes de aplicar una señal de CA. Si VC está cerca de 9 V o 0 V, revisa R1 y R2.

Solución de problemas

  • Síntoma: No hay señal de salida.
    • Causa: Conexión suelta, transistor quemado o V1 está apagado.
    • Solución: Verifica la continuidad en los rieles de la protoboard; verifica que V1 sea de 9 V.
  • Síntoma: La salida está recortada (Cimas o fondos planos).
    • Causa: El amplificador es llevado a saturación (fondo plano) o corte (cima plana), o la señal de entrada es demasiado grande.
    • Solución: Reduce la amplitud de entrada (V2); revisa las resistencias de polarización (R1, R2) para centrar el punto Q.
  • Síntoma: Ganancia baja (Salida ≈ Entrada).
    • Causa: El condensador de bypass C3 falta, está suelto o es demasiado pequeño.
    • Solución: Asegúrate de que C3 esté conectado sólidamente en paralelo con R4. Esto cortocircuita la resistencia del emisor para señales de CA, maximizando la ganancia.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Control de volumen: Reemplaza R2 (o añade un potenciómetro antes de C1) con un potenciómetro de 10 kΩ para atenuar la señal de entrada.
  2. Aumento de potencia: Añade una segunda etapa de transistor (Seguidor de emisor / Clase B push-pull) después de VOUT para manejar un pequeño altavoz de 8 Ω en lugar de solo observar el voltaje en un osciloscopio.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué tipo de transistor se utiliza en este circuito amplificador?




Pregunta 2: ¿En qué configuración se conecta el transistor para este proyecto?




Pregunta 3: ¿Qué clase de amplificador se está construyendo en este caso?




Pregunta 4: ¿Cuál es el propósito principal de la preamplificación mencionada en el texto?




Pregunta 5: ¿Qué método se utiliza para polarizar el transistor en este circuito?




Pregunta 6: ¿Cuál es el punto de operación de CC ideal para el voltaje Vce en este diseño?




Pregunta 7: ¿Qué relación de fase existe entre la señal de salida y la de entrada en una configuración de emisor común?




Pregunta 8: ¿Qué indica una Ganancia de Voltaje (Av) mayor a 1 en el contexto de la amplificación?




Pregunta 9: ¿Qué utilidad tiene este circuito para el acondicionamiento de señal?




Pregunta 10: ¿Cuál es el nivel de dificultad indicado para este proyecto?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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