Universidad Nacional de Colombia, Informe de Laboratorio Laboratorio Electrónica Electrónica Análoga Análoga I, Junio de 20!
8arco >ernánde, 8anuel %o:as, Carlos Alberto .-re Cód#2?@2, Cód# Cód#2222B 6ogotá, Colombia
"
Informe de Laboratorio 0 = $ransistor 6J$ Am+lificación de +e1uea seal#
— El transistor BJT, a pesar de haber sido rempl remplaza azado do por el transi transisto storr de efecto efecto de campo campo aun sigue sigue teni tenien endo do gran gran vari varied edad ad de apli aplica caci cion ones es,, entr entree ella ellass la amplificación de tensión . Para entender y corroborar de de manera prctica las aplicaciones de operación del transistor BJT en la zona activa, es necesario estudiar las configuraciones bsicas !ue !ue permiten al transistor comportarse como amplificador, de esta manera, manera, es de gran importancia importancia identific identificar ar los parmetro parmetross !ue defi define nen n a cada cada una una de las las conf config igur urac acio ione ness como como lo son son la impedancia de entrada, la impedancia de salida y la ganancia de volta"e y as# poder dise$ar y poner en prctica de manera e%itosa el uso de este transistor. Resumen
Abstract — The
BJT transistor, despite having been replaced by the field effect transistor still having great variety of applications, including voltage amplification. To corroborate, understand and practice such applications BJT transistor operating in the active zone, it is necessary to study the basic configurations that allo& the the tran transi sist stor or to beha behave ve as an ampl amplif ifie ierr, thus thus,, is of grea greatt importance importance to identify identify the parameter parameterss defining defining each of settings settings such as input impedance, output impedance and voltage gain and thus be able to design and implement successfully the use of this transistor. Emitter, 'ommon Key words — BJT amplification, 'ommon Emitter, Base, 'ommon 'olector, (mpedance adapter.
I#
a# Circuitos Circuitos Am+lifi Am+lificador cadores es con transisto transistores res bi+olares bi+olares Una ve se )alle correctamente +olariado el transistor 6J$, se logra mani+ular varias configuraciones de circuitos 1ue nos acceden a aumentar seales el-ctricas a trav-s de transistores bi+olares# La am+liación de seal es una de las varias a+licaciones 1ue tiene el transistor 6J$ * a su ve es una de las más tiles, de acuerdo a las necesidades necesidades de im+edancias de entrada * de salida, * de ganancia de tensión * corriente, se seleccionara el am+lificador 1ue +rinci+almente se acomode a los re1uerimientos, Las +rimordiales configuraciones son9 5 Emis Emisor or Com Comn n99 Un am+lificador emisor comn es uno de los tres am+lificadores básicos de una eta+a con transistores de unión bi+olar, )abitualmente utiliado como un am+lificador de volta:e# En este circuito el terminal de base del transistor ofrece como la entrada, el colector es la salida, * el emisor es comn a ambos
I N$%&'UCCI(N
A lo largo de la )istoria de la electrónica * +rinci+almente en relación relación con los transisto transistores res una de las más im+ortante im+ortantess a+licaciones es am+lificar am+lificar seales el-ctricas variables# .ara .ara esto e/isten diferente configuraciones# La am+lificación de seal es sumamente til en cuanto a a+licaciones +rácticas se refiere, dado 1ue al someter una tensión o una corriente, es +osible o+timiarla eficamente * utiliarla +ara una labor es+ec3fica# Adicionalmente, +ara lograr dic)a am+lificación e/iste e/istenn difere diferente ntess con config figura uracio ciones nes 4emiso 4emisorr comn, comn, base base comn, comn, colector colector comn5 comn5 +ara +ara dis+on dis+oner er el 6J$ segn lo re1uerido, ganancia de tensión, de corriente o como aco+lador de im+edancias# $eóricamente, $eóricamente, es +osible realiar una serie de análisis en +e1uea * gran seal +ara +oder determinar * +redecir la magnitud de los valores +reviamente mencionados# mencionados# En +rimera instancia, se estudia nicamente la com+onente continua +ara +oder averiguar el +unto de o+eración, +ara luego determinar la transconductancia, la resistencia Earl* * la resist resistenc encia ia +ro+ia +ro+ia del modelo modelo e1u e1uiva ivalen lente te a utili utiliar ar en el análisis en alterna 4$ o 75 * finalmente realiar dic)o análisis em+leando em+leando el e1uivalen e1uivalente te +ara dar cuenta cuenta de las ganancia gananciass e im+edancias del circuito am+lificador# "
II# 8A%C& $E(%IC&
;ig# # Circuito de .olariación con 'ivisor de $ensión $ensión o de Auto +olariación
El circuito de +olariación mani+ulado +ara esta configuraciones el de la ;igura #
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2
;ig# # 8odelo E1uivalente del Am+lificador Emisor Comn GH ;ig# 2# Configuración Emisor Comn
Las ecuaciones 1ue nos a+rueben el análisis del +unto de traba:o del transistor son las siguientes#
I C =
CE D CC
β ( A v =
V BB−V BE Rn + R E β
−¿ IC ¿
R v∗ R v Rc + R L
)
r π + ( β + 1 ) R E 1 + R B
R1= R B ∥ [ r π + ( β + 1 ) R E 1 ] 4%C %E5
RO= R C
'onde9
Rg = Rg 1 + R E 2 ∧ RB = R1 ∥ R 2
'ado el caso e/clusivo en 1ue %E es cero, +odr3amos reducir las formulas * obtenemos 1ue9
V CE =V CC − I C ∗( RC + R E )
A v = g m ( R C ∥ R L ) La +resencia de la seal <, en el circuito de entrada no tiene +or 1u- aturdir el estado de +olariación, +or este motivo es +reciso ubicar un condensador 4C5 en la entrada# 'ado a la +resencia de la seal variable en el terminal emisor +rovoca tambi-n una corriente variable 4ie5, su+er+uesta a la corriente IE ocasionada +or la +olariación en continua# La corriente ie a+arecerá establecida +or la ecuación vi D r F ie, en el cual r es la resistencia dinámica de entrada del transistor +ara esta configuración# La seal de corriente ie origina a su ve en la unión de colector una corriente variable ic, su+er+uesta a la corriente continua de colector Ic# Esta seal de corriente ic transita +or el circuito de salida del am+lificador * da +arte a una des+lome de volta:e en la resistencia %L, 1ue esta relatada +or la ecuación vo D ic F %L#
A v =
β ( RC ∥ R L ) r π + ( β + 1 ) R E 1
R1= R B ∥
r π
Con:untamente dado el tema de no desaco+lar la resistencia %E2 4es decir e/cluir el condensador CE5, obtenemos un circuito realimentado determinado +or9 ( R C ∥ R L ) A v = R E
R1 ≈ R B Este am+lificador es mani+ulado en los circuitos de radiofrecuencia, +or e:em+lo, +ara am+liar seales frágiles recibidas +or una antena Asimismo son considerablemente mani+ulados en circuitos LNA 4Lonoise am+lifier5 25 Colector comn La seal se em+lea a la base del transistor * se elimina +or el emisor# El colector se conecta a las masas tanto de la seal de entrada como a la de salida# En esta +ro+orción se tiene ganancia de corriente, +ero no de tensión 1ue es levemente menor a la unidad#
Universidad Nacional de Colombia, Informe de Laboratorio Electrónica Análoga I, Junio de 20! El colector comn es una de las configuraciones básicas de am+lificadores 1ue mani+ula transistores 6J$, * es usado como un ada+tador de im+edancias#
;ig#! colector comn
¿
Ri= R B ∥ ¿
r π + ( β + 1 ) ( R E ∥ R L )¿ ≈ β ∗ R E
R0= R E ∥ (
r π + r g ∥ R B β + 1
)
En sino+sis de esta +ro+orción tambi-n llamado como seguidor de emisor muestra una elevada resistencia de entrada, una ba:a resistencia de salida, una ingreso de volta:e mu* acercada a la unidad, * una alta ganancia de corriente #As3 1ue, esta conformemente ada+tado +ara a+licaciones en las 1ue una fuente de alta resistencia se conecte a una carga de ba:a resistencia, con:untamente su ba:a resistencia de salida lo )ace til tal la ltima eta+a o la eta+a de salida de un am+lificador de una am+lificador de diferentes fases 1ue obtendr3a como ocu+ación la de darle al am+lificador en cascada una ba:a resistencia de salida accediendo conectar cargas c)icas * 1ue traba:en correctamente GH 5 6ase Comn9 6ase comn es la ltima configuración básica de am+lificadores de una sola eta+a con transistores bi+olares# Es utiliado normalmente a modo de un ada+tador de im+edancias o como am+lificador de volta:e# En este circuito el terminal de emisor del transistor se utilia como la entrada, el colector de la salida, * la base es comn a ambos#
;ig# K# Configuración Colector Comn
;ig# # Configuración 6ase Comn
El modelo resultante 1ue nos accede analiar este circuito se +uede e:em+lar en la ;igura @ ;ig# ?# 8odelo E1uivalente del Am+lificador Colector Comn
Al e/aminar este circuito +odemos ad1uirir las consiguientes e/+resiones 1ue concretan su conducta9
A v =
g m∗ R E gm∗ R E + 1
;ig# @# 8odelo resultante del Am+lificador 6ase Comn
Las ecuaciones 1ue detallan su conducta son las consecutivas9
A i= β +¿
≈β
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A v =
( g m∗r +1 )∗ Rc 0
Rc + r 0
A i=
Ri=
!
≈ gm∗( R c ∥ R L )
r π + β∗r 0 r π + ( β + 1 )∗r 0
r 0+ β∗r 0 R c ∥ R L r 0 +r e + β + 1
≈1
≈
1
gm
R0= R c ∥ {[ 1 + g m ( r π ∥ r s ) ] r 0+ ( r π ) ∥ r s ¿ }
Como lo +odemos +ercibir este am+lificador tiene una ganancia de corriente mu* acercada a , * una resistencia de salida 1ue de+ende +rimordialmente de %C# 'ebido a su mu* ba:a resistencia de entrada, su a+licación +rimordial es la buffer de corriente, es decir 1ue admite una corriente de seal de entrada a una ba:a resistencia de entrada, * tras+asa una co+ia casi igual a una im+edancia alta en el colector# La +rimac3a +rinci+al de este circuito es su e/celente res+uesta a alta frecuencia G@H#
;ig B# Am+lificador en configuración base comn#
Parte (((. *cople de (mpedancias La configuración en colector comn se caracteria +or una ganancia de tensión ligeramente menor 1ue la unidad una elevada im+edancia de entrada * una ba:a im+edancia de salida# .ara esto se utilió un transistor 6J$ +ara luego obtener los valores de entrada * de salida * luego com+ararlos con el análisis obtuvido en la configuración de emisor comn#
III# .%&CE'I8IEN$& Parte (. Emisor 'om)n
;ig B# Am+lificador en configuración de colectorr comn#
I# ANMLI
;ig @# Am+lificador en configuración de emisor comn#
Parte ((. Base 'om)n Utiliando un transistor 6J$ N.N en configuración de base comn 1ue garantice un +unto de +olariación estable con I c =20 mA . corriente
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K
directamente con el ó)metro en el circuito a+agando las fuentes de tensión, * la ganancia de corriente fue determinada indirectamente# .ara obtener la ganancia de tensión se obtuvo 1ue iD00 m %8<, * oD2 %8< , +or lo tanto
A v =
2 V
= 20
100 mV
V V
La ganancia de corriente se determinó midiendo la tensión V BE * )aciendo una análisis de mallas asi,
A i= ;igura 0#
Una ve com+robada la +olariación del circuito, entonces se simuló la am+lificación , de lo 1ue resultó la figura #
gm∙ V BE V BE r π ∨¿ RB
=32
Los resultados reco+ilados +ara este am+lificador se encuentran en la tabla I# $A6LA I# %E
;igura #
En el laboratorio, al )acer el monta:e * ver el resultado en el oscilosco+io resultó lo 1ue se muestra en la figura 2#
;igura 2# %esultados oscilosco+io emisor c omn
.ara obtener las im+edancias de entrada * de salida, * las ganancias de tensión * de corriente del am+lificador se intento medir las corrientes * tensiones de entrada * de salida, sin embargo, al ser tan +e1ueas 4en es+ecial las corrientes5 no fueron +erce+tibles +or los mult3metros# .or esta raón las im+edancias de entrada * de salida debieron ser medidas
Los resultados en algunos casos fueron acordes a los es+erados# La ganancia de tensión fue bastante menor a la es+erada, * esto se debe a 1ue las resistencias teóricas no fueron las mismas resistencias utiliadas en el laboratorio debido a 1ue no eran de valores comerciales 4no se consiguen en el mercado5 además de otras alteraciones como las variaciones del beta * de la tensión de umbral debido al efecto t-rmico# La ganancia de corriente si fue mu* similar ala es+erada teniendo en cuenta 1ue el S del transistor medido mediante el mult3metro es mu* similar# Las im+edancias de entrada * de salida tambi-n son mu* similares a las es+eradas aun1ue con unas +e1ueas alteraciones# .odemos concluir entonces 1ue los valores seleccionados * la im+lementación +ractica de la configuración de emisor comn fueron los a+ro+iados * 1ue efectivamente es una configuración altamente efectiva * confiable +ara la am+lificación de tensión * de corriente de una seal AC de +e1uea seal#
Parte ((. Base 'om)n
Universidad Nacional de Colombia, Informe de Laboratorio Electrónica Análoga I, Junio de 20! 'ic)o monta:e se llevo al laboratorio +ara obtener las formas de onda en el oscilosco+io, los resultados se +ueden a+reciar en la figura K# Al medir las tensiones %8< de entrada * de salida del circuito, se obtuvo 1ue i D 0, m * o D #BK , +or lo tanto 3.95 V A v = = 56.43 70.7 mV
?
Como am+lificador de corriente se tiene9
V o A i=
Z o =1 V i Z i
Los resultados reco+ilados +ara este am+lificador se encuentran en la tabla II# $A6LA II# %E
;igura #
;igura !#
Este circuito +resento un fallo grave debido a 1ue al tener una im+edancia de entrada tan ba:a, el generador de seales 1uedaba casi en cortocircuito * al tensión se ca3a casi a la mitad# .or esta raón la ganancia de tensión fue muc)o menor a la es+erada# sin embargo la ganancia de corriente * las im+edancias de entrada * de salida si son co)erentes con los cálculos teóricos +revios# Como se +uede observar esta configuración tambi-n sirve como ada+tador de im+edancias, *a 1ue +resenta una ba:a im+edancia de entrada, sin embargo esto +uede ser considerado como una desventa:a debido a 1ue la resistencia interna de la seal de entrada tambi-n deber3a ser mu* +e1uea +ara 1ue el am+lificador funcione correctamente#
;igura K# %esultados oscilosco+io base comn
Universidad Nacional de Colombia, Informe de Laboratorio Electrónica Análoga I, Junio de 20!
tensión de salida 4ganancia de volta:e mu* a+ro/imada a la unidad5 * además nos +ermite a:ustar la im+edancia de salida de acuerdo a la carga re1uerida#
# .%EPUN$A<
;igura ?#
En el oscilosco+io durante la +ráctica de laboratorio resulto la seal mostrada en la figura #
;igura # %esultados oscilosco+io aco+le de im+edancias 4colector comn5
V o A i=
Z o =80 V i Z i
Los resultados reco+ilados +ara este am+lificador se encuentran en la tabla III
$A6LA III# %E
VWu- +uede concluir de las medidas obtenidasX .rinci+almente se +uede concluir 1ue a +esar de realiar cálculos teóricos lo mas +recisos +osibles * de intentar controlar algunos factores de error, tales como la inde+endencia de los am+lificadores del beta, los resultados obtenidos en el laboratorio siem+re tendrán alteraciones, 1ue en algunos casos 4como en el am+lificador de base C&8 Yun5 +ueden ser bastante grandes * en un as+ecto +ractico +odr3an no servir como lo 1ueremos#
Universidad Nacional de Colombia, Informe de Laboratorio Electrónica Análoga I, Junio de 20! VWue función cum+len los condensadores * sus res+ectivos valores en las diferentes configuraciones de am+lificaciónX Los condensadores tiene la función de no de:ar la +asar la seal 'C 1ue generan las fuentes continuas, +ues estos actan como circuito abierto +ara seales de este ti+o * as3 +oder tomar la seal de salida solo en com+onente AC, +ues en esta actan como corto circuito# Además sirven +ara desaco+lar resistencias 1ue +ueden alterar las salidas * 1ue solo son tiles en la +olariación del transistor#
I# C&NCLU
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.ara o+erar el transistor 6J$ como un am+lificador lineal es necesario +olariarlo en la región activa * mantener la tensión 6E en AC +e1eua, a+ro/imadamente menor al volta:e t-rmico# .ara +e1ueas seales el transistor 6J$ funciona como una fuente de corriente controlada +or la tensión alterna de entrada# 'e+endiendo de la configuración de am+lificador utiliada, los +arámetros caracter3sticos del circuito van a variar, * acomodando dic)as configuraciones se +ueden obtener diferentes venta:as de los 6J$ como +or e:em+lo el ada+tador de im+edancias 1ue es til al final de los circuitos de am+lificación multieta+as# A com+aración de los transistores 8&<;E$, los 6J$ +resentan una ma*or ganancia de volta:e, lo 1ue los )ace más eficaces al am+lificar +e1ueas seales# Estas ganancias son +or lo general cercanas a cien# Las im+edancias de salida de los am+lificadores 6J$ son considerablemente mas ba:as 1ue las de los transistores de efecto de cam+o configurados como am+lificadores#
II#
6I6LI&P%A;[A
GH Am+lificadores contransistores bi+olares de union# recu+erado el de diciembre de 202 del sitio eb9 )tt+\\ #geocities#s#
@
G2H Am+lificador Emisor Comun# %ecu+erado el @ de Junio de 202 del sitio eb9 )tt+9\\#unicrom#com\$ut emisor com#as+#+df GH $ema !9 Am+lificadores de +e1ue]na se]nal Am+lificadores monoeta+a con transistores bi+olares# %ecu+erado el B de Junio de 202 del sitio eb9 )tt+s9\\sites#google#com\a\goum)#um)#es\circuitos electronicosanalogicos\ ^ trans+arencias\tema!_$&CAm+lificadores monoeta+acontransistores bi+olares G!H Abella, J#8# * 8art`ne'uart, J#8#4200B5CA.I$UL& I A.LICACI&NE< 'E L&< $%AN
