Universidad Politécnica Salesiana – Salesiana – Sede Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5
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Amplificador Darlington y Cascada Paul Esteban Vintimilla Tapia. e-mail:
[email protected] Universidad Politécnica Salesiana – Salesiana – Sede Sede Cuenca. Abstract--- This report it’s about Darlington transistor amplifiers and cascading amplifiers, we are going to review the different stages that are used in the cascaded amplifier. The first stage uses a common source amplifier with FET transistor, a BJT transistor for the second stage as common emitter amplifier and for the third stage we use a common collector amplifier. The amplifiers in these calculations were performed due polarization maximum dynamic calculation of input and output impedances, and calculation of the capacitors and the respective measurements are performed and simulated to determine proper operation in the required application and then make the appropriate appropriate conclusions and analysis of all the results obtained practical and theoretical.
Ín di ce de d e té té r m i n os Transistor Darlington, Conexión — Transistor Cascada.
I.
INTRODUCCIÓN
El transistor de efecto campo es en realidad una familia de transistores que se basan en el el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias como resistencias controladas por voltaje. Un amplificador es cualquier dispositivo el cual mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno. Amplificar es agrandar la intensidad de algo, por lo general sonido. También podría ser luz o magnetismo, etc. En términos generales “amplificador”, es un aparato al que se le conecta un dispositivo de sonido y aumenta la magnitud del volumen. En los transistores bipolares, una pequeña corriente de entrada (corriente de base) controla la corriente de salida (corriente de colector); en los casos de los FET, es un pequeño voltaje de entrada que controla la corriente de salida. La corriente que circula en la entrada es generalmente despreciable (menos de un pico amperio). Esto es una gran ventaja, cuando la señal proviene de un dispositivo tal como un micrófono de condensador o un transductor piezo eléctrico, los cuales proporcionan corrientes insignificantes. En electrónica, el transistor Darlington es un dispositivo semiconductor que combina dos dos transistores bipolares en un tándem (a veces llamado par Darlington) en un único dispositivo.
La configuración (originalmente realizada con dos transistores separados) fue inventada por el ingeniero de los Laboratorios Bell Sidney Darlington. La idea de poner dos o tres transistores sobre un un chip fue patentada por él, pero no la idea de poner un número arbitrario de transistores que originaría la idea moderna de circuito integrado. Esta conexión es una conexión muy popular de dos transistores de unión bipolar para funcionar como un solo transistor “superbeta”. “superbeta” . La principal característica de la conexión Darlington es que el transistor compuesto actúa como una sola unidad con una ganancia de corriente que es el producto de las ganancias de corriente de dos transistores t ransistores p or separado. Un amplificador en cascada es un amplificador construido a partir de una serie de amplificadores, donde cada amplificador envía su salida a la entrada del amplificador a lado de una cadena. Una conexión entre etapas de amplificador es la conexión en cascada. Básicamente una conexión en cascada cascada es aquella en en la cual la salida de una etapa se conecta a la entrada de la segunda etapa. La conexión en cascada proporciona una multiplicación de la ganancia en cada una de las etapas para tener una mayor ganancia en total.
II.
OBJETIVOS
II-A. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento del Amplificador con transistor Darlington. (Av=150) (fc=500 Hz). II-B. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento del Amplificador en conexión Cascada de 3 etapas: II-B1. Primera Etapa: Amplificador con transistor FET en source común (AV=8). II-B2. Segunda Etapa: Amplificador con transistor BJT en emisor común (AV=80). II-B3. Tercera Etapa: Amplificador con transistor BJT en colector común (AV=1). La frecuencia de corte de cada uno de estos amplificadores es de fc=500 Hz.
III.
MARCO TEÓRICO
III-A. Transistor BJT El transistor de unión bipolar (del inglés (del inglés Bipolar un dispositivo Junction Transistor , o sus siglas BJT ) es un dispositivo
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. Como el transistor es considerado una fuente de corriente dependiente de la corriente de base, podemos deducir que la malla de base es la que polariza al transistor para obtener ciertas características de corriente y voltaje en la malla de salida, que es donde se obtiene la amplificación.
Figura 1. Transistor BJT Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones deelectrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera queda n formadas tres regiones:
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor.
La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la basecolector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.
a. Estructura
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Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda.
Figura 2. Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN. Donde se puede apreciar como la unión base-colector es mucho más amplia que la baseemisor. La base está físicamente localizada entre el emisor y el colector y está compuesta de material semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la región del emisor, haciendo casi imposible para los electrones inyectados en la región de la base escapar de ser colectados, lo que hace que el valor resultante de α se acerque mucho hacia la unidad, y por eso, otorgarle al transistor un gran β. El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor está usualmente optimizada para funcionar en modo activo, intercambiar el colector con el emisor hacen que los valores de α y β en modo inverso sean mucho más pequeños que los que se podrían obtener en modo activo; muchas veces el val or de α en modo inverso es menor a 0.5. La falta de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el emisor y el colector. El emisor está altamente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser aplicada una gran tensión de reversa en la unión colector-base antes de que esta colapse. La unión colector-base está polarizada en inversa durante la operación normal. La razón por la cual el emisor está altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores del emisor: la tasa de portadores inyectados por el emisor en relación con aquellos inyectados por la base. Para una gran ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión base-emisor deben provenir del emisor. El bajo desempeño de los transistores bipolares laterales muchas veces utilizados en procesos CMOS es debido a que son diseñados simétricamente, lo que significa que no hay diferencia alguna entre la operación en modo activo y modo inverso. Pequeños cambios en la tensión aplicada entre los terminales base-emisor genera que la corriente que circula entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto puede ser utilizado para amplificar la tensión o
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 corriente de entrada. Los BJT pueden ser pensados como fuentes de corriente controladas por tensión, pero son caracterizados más simplemente como fuentes de corriente controladas por corriente, o por amplificadores de corriente, debido a la baja impedancia de la base. Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están compuestos de silicio.
c.
3
Tipos de Transistor Bipolar NPN
b. Funcionamiento En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en directa y la unión base-colector en i nversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la bar rera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector. Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base. La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector.
Figura 4. El símbolo de un transistor NPN. NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo..
PNP
El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
Figura 5. El símbolo de un transistor PNP. Figura 3. Característica idealizada de un transistor bipolar.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
d.
Region es operat ivas del tr ansistor
Los transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados:
Región activa:
corriente del emisor = (β + 1)·I b ; corriente del colector= β·I b Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.
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De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un cable, ya que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero.
III-B. Amplificadores con transistor BJT En el circuito se muestra un circuito típico de un amplificador de tensión con un transistor BJT polarizado en la zona activa. Con él se trata de amplificar una tensión cualquiera vi y aplicarla, una vez amplificada, a una carga que simbolizamos por la resistencia RL. La zona sombreada resalta el amplificador, que en este caso, lo constituye un transistor BJT en la configuración emisor común. El cual, convenientemente polarizado en la zona activa, es capaz de comportarse como un amplificador de tensión como ya se mencionó en el capítulo anterior.
Región inversa:
Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los BJT son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo. Región de corte: Un transistor está en corte cuando:
corriente de colector = corriente de emisor = 0, (I c = I e = 0) En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0) De forma simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta como un circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero. Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: corriente de colector ≈ corriente de emisor = corriente maxima, (I c ≈ I e = I max ) En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver Ley de Ohm. Se presenta cuando la diferencia de potencial entre el colector y el emisor desciende por debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el transistor esta en saturación, la relación lineal de amplificación I c=β·I b (y por ende, la relación Ie=(β+1)·I b ) no se cumple.
Figura 6. Amplificador con BJT “Los condensadores C1 y C2 que aparecen se denominan condensadores de acoplo y sirven para bloquear la componente continua. En concreto C1 sirve para acoplar la tensión que queremos amplificar al amplificador propiamente dicho, eliminando la posible componente continua que esta tensión pudiera tener. Si no bloqueásemos esta continua se sumaría a las corrientes de polarización del transistor modificando el punto de funcionamiento del mismo. Por otra parte, el condensador C2 nos permite acoplar la señal amplificada a la carga, eliminando la componente continua (la correspondiente al punto de polarización del transistor) de forma que a la carga llegue únicamente la componente alterna. El condensador C3 es un condensador de desacoplo, su misión es la de proporcionar un camino a tierra a la componente alterna. En el capítulo anterior se analizó el efecto de la resistencia RE desde el punto de vista de su efecto en la estabilización del punto de polarización. Sin embargo, en este capítulo veremos cómo desde el punto de vista de la amplificación, esta resistencia hace disminuir la ganancia del amplificador. Al añadir el condensador de desacoplo conseguimos que la continua pase por RE mientras que la alterna pasaría por el condensador C3 consiguiendo que no afecte a la amplificación.”
a) El cuadripolo y el modelo híbrido
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 “Un cuadripolo es un circuito, sistema o red en general con dos terminales de entrada, también denominado puerto de entrada, y dos terminales de salida o puerto de salida, por ello a veces, a los cuadripolos se les denomina redes de doble puerto.
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circuito serán resistencias, ya que no analizamos el comportamiento en frecuencia de los circuitos, las impedancias de entrada y salida tendrán únicamente una componente real, es decir, serán resistencias, por lo que podremos hablar igualmente de resistencias de entrada (Ri) y de salida (Ro)
c) Amplificadores
Figura 7. Cuadripolo
ANÁLISIS DE UN CIRCUITO AMPLIFICADOR CON PARÁMETROS HÍBRIDOS.
Podemos amplificar una señal sin más que acoplarla a un transistor debidamente polarizado y la señal resultante aplicarla a una carga (en este caso modelizada por una resistencia ZL. Aquí analizamos un caso genérico sin importar la configuración del transistor. Así que sustituiremos el transistor por su modelo en parámetros híbridos. Supondremos que la señal de entrada es sinusoidal, con lo cual podremos trabajar con los valores máximos o con los eficaces.
Amplifican la tensión, corriente o potencia a partir de señales “más débiles”. La señal a amplificar puede venir de Micrófono para señales de audio o antena para señales de radio frecuencia o Transductores térmicos, velocimetritos, luminosos o de otras etapas amplificadoras.
d) Clasificación
1. Según el elemento activo.
Transistores unipolares: Emisor común (EC), Colector común (CC), Base común (BC) Transistores bipolares: FET o MOS(potencia) Transistores especiales. Circuitos integrados: Operacionales y específicos de audio, video, instrumentación.
2. Según el tipo de señal.
De CC: En fuentes de alimentación o para activación de actuadores(válvulas, motores, lámparas, relés..) De Señal: frecuencia: amplificación de transductores Baja para medida frecuencia: Amplificación de voz o Media música(20Hz-20KHz) frecuencia: Amplificación de video (15Hz Alta 15MHz). Señal de radiofrecuencia>20KHz.
3. Según la potencia.
Figura 8. Parámetros híbridos del transistor NOTA: Se ha llamado a la corriente por la carga iL (con el subíndice en mayúsculas) en contra de lo mencionado anteriormente respecto a la nomenclatura, esto es así para no confundir la letra l (ele) minúscula con el número 1 (uno). Quede claro, por tanto, que aunque denotemos con subíndice en mayúsculas nos estamos refiriendo al valor incremental o de alterna de la mencionada corriente. b) Comparación de las distintas configuraciones A continuación procederemos analizar distintos circuitos amplificadores con el fin de comparar los valores obtenidos en cada uno de ellos. La resolución la realizaremos utilizando el modelo simplificado que acabamos de plantear. En cada caso calcularemos la ganancia de tensión (AV), la ganancia de corriente (AI) y las impedancias de entrada (Zi) y de salida (Zo), dado que los únicos componentes que tenemos en el
De pequeña señal: Etapas previas de amplificación o para corrientes débiles. De potencia: ültimas etapas de amplificación o para corrientes grandes. Clase A: No se recorta la señal. Clase B: La señal se recorta durante medio semiciclo. Clase C: La señal se recorta durante más de un semiciclo. Clase AB: La señal se recorta durante menos de un semiciclo
4. Según las etapas de amplificación
Monoetapa: Simple, diferencial, realimentación. Multietapa Acoplamiento: Directo, RC, LC, con transformador.
e) Características De Los Amplificadores
1. Ganancias En tensión: Av=Vs/Ve; Av(dB)=20log(Av) En Corriente: AI=Is/Ie; GI(dB)=20log(AI)
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En Potencia: Ap=Ps/Pe; Ap(dB)=10log(Ap)
Ganancias a frecuencias medias: Son las ganancias en la zona lineal de amplificación, para la que dichas ganancias son máximas (amplificación máxima). encuentran dentro del ancho de banda del Se amplificador.
2. Frecuencias de corte y ancho de banda. Las frecuencias de corte las determinan los elementos capacitivos (condensadores y capacidades parásitas) y resistivos del circuito. Las frecuencias de corte delimitan la zona lineal (de amplificación). ancho de banda es la diferencia entre la El frecuencia de corte superior e inferior A las frecuencias de corte la ganancia en tensión cae 3dB con respecto a la ganancia a frecuencias medias. También se puede expresar como el 70% de la ganancia a frecuencias medias. A las frecuencias de corte la potencia cae 3dB con respecto a la ganancia a frecuencias medias. También se puede expresar como el 50% de la ganancia a frecuencias medias.
11.
Relación señal ruido: S/N
Es el cociente entre el nivel de señal y de ruido en la zona lineal de trabajo, y que debe ser lo mayor posible.
f) Estudio de un amplificador EN CORRIENTE CONTINUA.
Se desconecta la señal de entrada. Se miden las corrientes y tensiones de polarización (punto de trabajo) y la recta de carga estática.
EN CORRIENTE ALTERNA.
Frecuencia medias:
3. Desfase. Es la diferencia de fase entre la señal de entrada y de salida. En la zona lineal el desfase es de 0º o 180º.
4. Distorsión. En la zona lineal (dentro del ancho de banda): En amplitud: La amplitud de la salida queda recortada o deformada. frecuencia: La frecuencia de la salida es En diferente de la de entrada. En fase: Se produce desfase entre la entrada y la salida<>de 180º.
5. Impedancia de salida. Es la impedancia vista desde los terminales de salida del amplificador, que está en serie con la tensión amplificada. que genera, el amplificador, y que debe ser lo más pequeña posible.
6. Impedancia de entrada: Es la impedancia vista desde los terminales de entrada del amplificador, y que debe ser lo más grande posible.
7. Tensión máxima y mínima de salida Que es capaz de generar en la zona lineal sin distorsión.
8. Tensión máxima y mínima de entrada Que es capaz de amplificar en la zona lineal sin distorsión.
9. Temperaturas de trabajo Límites de funcionamiento para temperaturas extremas.
10.
Factor de ruido:
Es el ruido que aporta el amplificador debido a sus componentes internos, y que de dependerá de la temperatura y la frecuencia.
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Se parte de una tensión y frecuencia muy baja. Se aumenta la frecuencia hasta que la salida es estable y máxima sin recortarse.
Impedancia de entrada: Metodo1: Se mide la corriente de entrada y la tensión de entrada: Metodo2: Se conecta una resistencia variable en serie con la entrada y se varía dicha resistencia hasta que la tensión a la entrada del amplificador sea la mitad que la de entrada y se mide la resistencia variable.
Impedancia de salida: Metodo1: Se mide la corriente de la carga y la tensión de la carga: Metodo2: Se sustituye la carga por una resistencia variable y se varía dicha resistencia hasta que la tensión a la salida del amplificador sea la mitad que sin la carga y se mide la resistencia variable.
Frecuencia de corte inferior:
Se baja la frecuencia hasta que
Frecuencia de corte superior:
Se aumenta la frecuencia hasta que
III-C. El transistor FET Los transistores FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-OxideSemiconductor FET) y MISFET (Metal-InsulatorSemiconductor FET). Tienen tres terminales, denominadas puerta ( Gate), drenador ( Drain) y fuente ( Source). La puerta es la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente. En un transistor BJT la salida de corriente del colector es proporcional a la entrada de corriente que fluye hacia el terminal de la base del dispositivo, con lo que el transistor BJT se convierte en un transistor operado por “corriente”. En cambio un transistor de efecto de campo, FET, utiliza el voltaje que se aplica a su terminal de entrada, llamado Gate o puerta, para controlar la corriente que fluye a través del
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 dispositivo, donde la salida de corriente es proporcional a la tensión de entrada aplicada. Su operación se basa en un campo eléctrico (de ahí el nombre de efecto de campo) generado por el voltaje en el ingreso de Gate, entonces esto hace que el transistor de efecto de campo sea un dispositivo de accionamiento por “voltaje”. Podemos decir que el funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT debido a que en los MOSFET, la puerta no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser despreciada. Los MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el análisis y diseño de circuitos. El JFET es un dispositivo unipolar, ya que en su funcionamiento solo intervienen los portadores mayoritarios. Los transistores FET al igual que los BJT son de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. La estructura física de un JFET consiste en un canal semiconductor tipo n o p, con contactos óhmicos (no rectificadores) en cada extremo fuente (S) y drenador (D). A los lados del canal existen dos regiones de material semiconductor de diferente tipo de canal, conectados entre sí, formando el terminal de puerta Gate (G). En el caso del JFET de canal n, la unión puerta-canal, se encuentra polarizada en inversa, por lo que prácticamente no entra ninguna corriente a través del terminal de puerta. El JFET de canal p, tiene una estructura inversa a la del canal n, siendo por lo tanto necesaria su polarización de puerta también inversa respecto a la del canal n. Los JFET son usados preferiblemente ante los MOSFET en circuitos discretos. En el símbolo del dispositivo, la flecha indica el sentido de polarización directa de la unión p-n.
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En la unión p-n al polarizar en inversa la puerta y el canal, una capa del canal adyacente a la puerta se convierte en no conductor. A esta capa se le llama zona de deplexión. Cuanto mayor es la polarización inversa, más gruesa se hace la zona de deplexión, cuando la zona conductora ocupa todo el ancho del canal, se llega al corte del canal. A la tensión necesaria para que la zona de deplexión ocupe todo el canal se le llama tensión puerta fuente de corte ( ). Esta tensión es negativa en los JFET de canal n. En el funcionamiento normal del JFET de canal n, D es positivo respecto a S. La corriente de D a S a través del canal. Como la resistencia del canal depende de la tensión GS, la corriente del drenador se controla por dicha tensión.
III-C2. Zonas de Funcionamiento
La tensión aplicada a la puerta controla la corriente que fluye entre el drenaje y los terminales de la fuente, mientras que se refiere a la tensión aplicada entre el drenaje y la fuente. En un transistor JFET no fluye corriente en la puerta, en tanto que la corriente de fuente ( ) es igual a la corriente que fluye por el drenaje, por lo tanto .
Figura 10. Zonas de funcionamiento del JFET
la capa de III-C2.1 Región óhmica: Cuando agotamiento del canal es muy pequeña y el JFET actúa como una resistencia de tensión controlada. III-C2.2 Región activa: El JFET se convierte en un buen conductor y es controlado por el voltaje de puerta-fuente, ( ), mientras que la tensión de drenaje-fuente, ( ) tiene poco o ningún efecto. III-C2.3 Región de ruptura: La tensión entre el drenaje y la fuente, ( ) es lo suficientemente alta para canal provoca resistencia del JFET para descomponer y pasar máxima sin control actual.
Figura 9. FET de canal N y de canal P Si comparamos el JFET, con un transistor BJT, podemos representar ciertas similitudes entre estos dos dispositivos, por ejemplo, se aprecia que el drenaje (D) es análogo al colector, en tanto que el surtidor (S) es análogo al emisor y un tercer contacto, la compuerta (G), es análoga a la base del transistor BJT.
III-C1. Principios de Funcionamiento
III-C3. Curva de Transferencia. La curva de transferencia se puede obtener de forma directa con la ecuación de Shockley, dados simplemente los valores de IDSS y Vp que se encuentran en las hojas de datos o Datasheet. Los niveles de IDSS y Vp definen los límites de
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 la curva en ambos ejes y sólo se requiere localizar algunos puntos intermedios en la gráfica.
⁄
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en la figura anterior. A este transistor se le polariza como se a realizado al igual que los anteriores con un punto Q cerca de la mitad de la línea de carga de cc, se puede acoplar una pequeña señal de ca en la base. Esto produce alternancias o fluctuaciones de igual forma y frecuencia en la corriente de colector. Por ejemplo si la entrada es una onda senoidal con una frecuencia de 1 kHz, la salida será una onda senoidal amplificada con una frecuencia de 1 kHz. El amplificador se llama lineal (o de alta fidelidad) si no cambia la forma de la señal. Si la amplitud de la señal es pequeña, el transistor solo usará una pequeña parte de la línea de carga y la operación sea lineal. Un capacitor de acoplamiento permite el paso de una señal de ca de un punto a otro. En un amplificador transistorizado, la fuente de cc proporciona corrientes y voltajes fijos. La fuente de ca produce fluctuaciones en estas corrientes y voltajes. La forma más simple para analizar el circuito es la división del análisis en dos partes: un análisis de cc y un análisis de ca. En otras palabras, puede usarse el teorema de la superposición cuando se analicen amplificadores transistorizados. A este amplificador también se puede usar en un solo esquema para el circuito en corriente alterna. Hie del transistor es el resultado del Hie del segundo transistor multiplicado por el Hfe del primer transistor.
b) Características
Figura 11. Curvas de transferencia de los transistores JFET y MOSFET III-D. Amplificador con transistor Darlington El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente. Está compuesto internamente por dos transistores bipolares que se conectan es cascada. El transistor Q1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor Q2.
La ganancia total de la conexión Darlington es el producto de la ganancia de los transistores individuales. Un dispositivo típico tiene una ganancia en corriente de 1000 o superior. También tiene un mayor desplazamiento de fase en altas frecuencias que un único transistor, de ahí que pueda convertirse fácilmente en inestable. La tensión base-emisor también es mayor, siendo la suma de ambas tensiones base-emisor. Y para tensiones de silicio es superior a 1.2V. La beta de un transistor o par Darlington se halla multiplicando los betas de los transistores individuales. La intensidad del colector se halla multiplicando la intensidad de la base por el beta total.
y al tener dos transistores, el voltaje V BE incrementa a:
La ganancia de corriente por lo tanto se determina por:
La impedancia de ingreso viene dada por:
Figura 12. Amplificador con transistor Darlington a) Funcionamiento La configuración de este tipo de transistor, se trata únicamente de dos transistores acoplados, tal como se mostró
Ganancia de Tensión:
Impedancia de Salida:
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) ( c) Esquema Simulado
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El análisis en corriente alterna nos arrojan los siguientes datos:
Cálculo de la impedancia de entrada del transistor:
Mediante la ganancia de voltaje encontramos la resistencia de colector:
Figura 13. Simulación del amplificador con transistor Darlington
Por lo tanto tenemos:
d) Cálculos
Datos del circuito:
Por lo tanto tenemos
La resistencia de emisor es:
La intensidad de base calculamos de la siguiente manera:
Despejando la resistencia de colector:
III-E. Amplificador en Cascada Un amplificador en cascada es un amplificador construido a partir de una serie de amplificadores, donde cada amplificador envía su salida a la entrada del amplificador al lado de una cadena. Una conexión entre etapas de amplificadores es la conexión en cascada. Básicamente una conexión en cascada es aquella en la cual la salida de una etapa se conecta a la entrada de la segunda etapa, y así sucesivamente. La conexión en cascada proporciona una multiplicación de la ganancia en cada una de las etapas para tener una mayor ganancia total. Podemos tener diferentes tipos de acoplamientos entre cada etapa de amplificación, sin embargo es necesario tener en cuenta el acoplamiento entre impedancias, sabiendo que la impedancia de salida del primer amplificador, es la impedancia de ingreso del segundo, y así sucesivamente. El acoplamiento directo por ejemplo, consiste básicamente en interconectar directamente cada etapa mediante un cable. Presenta buena respuesta a baja frecuencia. Típicamente se utilizan para interconectar etapas de emisor común con otras de seguidor de emisor. Un acoplamiento capacitivo en cambio permite desacoplar dos efectos de polarización entre las etapas. Permite dar una mayor libertad
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 al diseño, pues la polarización de una etapa no afectará a la otra en AC.
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a) Esquema Simulado VCC
III-F. Primera Etapa: Amplificador en Source común
24V
La configuración de este amplificador la podemos observar en la figura 4 en el que se incluye un resistor de autopolarización Rs para ajustar la polarización DC. El circuito equivalente en AC se observa en la figura 5 donde se muestra la resistencia Rs cortocircuitado mediante el capacitor de salida Cs sustituido por un corto (impedancia AC del capacitor = 0) y la resistencia R D conectada a +VDD se aterriza a AC, puesto que la impedancia AC de la alimentación de voltaje se sustituye por medio de una impedancia AC de 0. El dispositivo JFET se reemplaza mediante el modelo simple para el cual una señal de AC aplicada entre la compuertafuente Vgs da como resultado una corriente de drenaje-fuente (canal) de valor gm*Vgs.
R16 12.097kΩ
JFET_N_VIRTUAL* Q5
RG1 1MΩ
RS1 4.078kΩ
Figura 16. Simulación amplificador en source común b) Cálculos
DATOS DEL CIRCUITO:
Figura 14. Amplificador en Source común.
Procedemos a formar un sistema de ecuaciones a partir de las diferentes ecuaciones planteadas a partir de los diferentes sistemas de los circuitos: Por lo tanto la ganancia de voltaje en source común se expresa de la siguiente manera:
Figura 15. Amplificador en source común, esquema en dinámica. La ganancia de voltaje AC puede determinarse como:
La impedancia de ingreso es:
La impedancia de salida es:
‖‖ ‖ ‖
Reemplazando cada uno de los valores y tomando en consideración que , para exista la máxima transferencia obtenemos:
Por lo tanto nuestra primera ecuación es la siguiente: (1)
Para formar nuestra segunda ecuación podemos parir desde la ecuación de salida:
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5
11
III-G. Segunda Etapa: Amplificador en Emisor Común a) Esquema Simulado
Por lo tanto nuestra segunda ecuación es la siguiente: (2)
VCC
24V
(3) Nuestra tercera ecuación se encuentra de la siguiente manera:
RC1 10.5kΩ
R6 3.4727MΩ
Como tenemos a partir de la malla de ingreso que: Q2
BJT_NPN_VIRTUAL**
Reemplazando esta condición en la anterior ecuación y cada uno de los valores tenemos: (4)
R4 465.9137kΩ
R3 1.097kΩ
(5) Para encontrara la cuarta ecuación realizamos:
Figura 18. Amplificador a emisor común b) Cálculos
Los datos para la segunda etapa son:
Obtenemos nuestra cuarta ecuación: (6)
‖‖
Resolviendo este sistema de 4 ecuaciones con 4 incógnitas:
En esta etapa partimos de la máxima dinámica:
VCC 24V U5 DC 1e-009Ohm
+
0.739m
A
-
R19 12.097kΩ
Ahora como en nuestra máxima dinámica de la anterior etapa teníamos que el , ahora en este circuito lo máximo que vamos a tener en nuestra máxima dinámica será:
JFET_N_VIRTUAL Q4 U6
+
11.997
V
-
DC 10MOhm RG 1MΩ
RS
Como al igual que en el circuito anterior tenemos que para obtener la máxima transferencia:
‖
4.078kΩ
Figura 17. Verificación de la polarización (source co mún)
Reemplazando obtenemos:
los
datos
en
la
ecuación
anterior
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5
‖ Realizando la última sustitución tenemos:
Despejando el valor de la resistencia
Para calcular la resistencia de thevenin tenemos:
Donde:
Por lo tanto tenemos:
tenemos:
Para poder encontrar otro dato importante podemos realizar lo siguiente:
‖ ‖
Para calcular el valor de
12
Por lo tanto:
tenemos:
Por lo tanto tenemos:
Mediante esto tenemos:
Remplazando en la ecuación siguiente:
Por lo tanto nos planteamos lo siguiente:
Mediante este dato podemos imponernos que:
A partir de la malla de salida tenemos:
Por lo tanto:
Para poder hallar el voltaje thevenin realizamos:
Por lo tanto:
Ahora nos plantemos lo siguiente:
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 VCC 24V U3 DC 1e-009Ohm
+
0.970m
A
-
13
Ahora como en nuestra máxima dinámica de la anterior etapa teníamos que el , ahora en este circuito lo máximo que vamos a tener en nuestra máxima dinámica será:
RC 10.5kΩ
Por lo tanto tenemos:
R1
3.4727MΩ
Q1
+
12.794
V
U2 DC 10MOhm
-
BJT_NPN_VIRTUAL* R2 465.9137kΩ
R5
Como al igual que en el circuito anterior tenemos que para obtener la máxima transferencia:
‖
1.097kΩ
Figura 19. verificación de la Polarización
Reemplazando obtenemos:
III-H. Tercera Etapa: Amplificador en Colector Común a) Esquema Simulado VCC 24V
R9 1.09kΩ
R_4 82544Ω
Q6
R_3
BJT_NPN_VIRTUAL***
48826Ω
R7 1.69kΩ
Figura 20. Amplificador en colector común b) Cálculos
Datos del Circuito:
‖‖
Ahora:
los
datos
en
la
ecuación
‖ ‖
Para calcular el valor de
tenemos:
Por lo tanto tenemos:
‖ Para calcular la intensidad de base realizamos:
A partir de la malla de salida tenemos:
Despejando el voltaje emisor tenemos:
anterior
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5
14
VCC 24V +
4.501m
R10
1.09kΩ
R_1 82544Ω
Q3
+
11.991
V
U4 DC 10MOhm
-
BJT_NPN_VIRTUAL***
R_2 48826Ω
Para calcular la resistencia de thevenin tenemos:
Donde:
U1 DC 1e-009Ohm
-
Despejando la resistencia de emisor tenemos:
A
R8 1.69kΩ
Figura 21. Verificación de la Polarización
Por lo tanto tenemos:
Remplazando en la ecuación siguiente:
IV.
Por lo tanto nos planteamos lo siguiente:
LISTA DE MATERIALES
2 Transistor JFET de canal n 1 Transistor BJT de canal n 1 Resistencia de 12 k Ω 1 Resistencia de 4.7 k Ω 1 Resistencia de 1 MΩ 1 Resistencia de 10 k Ω 1 Resistencia de 3.3 MΩ 1 Resistencia de 470 k Ω 2 Resistencias de 1.2 k Ω 1 Resistencia de 82 k Ω 1 Resistencia de 47 k Ω 1 Resistencia de 1.5 k Ω 1 Resistencia de 100 Ω 1 Resistencia de 1 k Ω Condensadores (Varios) 2 fuentes variables de corriente continua 0V-30V 1 Protoboard
Instrumentos:
2 Multímetros (Voltímetro y Amperímetro) Software MULTISIM 11.0 1 Generador de Funciones. 1 Osiloscopio Sondas (más de 3)
V.
DESARROLLO
V-A. Simulaciones, Tablas de Resultados a) Amplificador en Cascada
Resolviendo estas ecuaciones tenemos:
Esta simulación debida su extensión será presentada al final de este informe como parte de los anexos. Lo que
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca. Paul Vintimilla. Práctica 5 debemos hacer es unir las 3 etapas calculadas anteriormente y verificar con sus respectivos diagramas.
F(Hz)
250 500 750 1000 2000 3000 5000 7000 9000 10000
Tabl a de resul tados
mV
mV
s
5
1120
0.0004
36
224
-47.004
5
1700
0.0003
54
340
-50.629
5
2140
0.00025
67.5
428
-52.628
5
2420
0.0002
72
484
-53.696
5
2920
0.0005
360
584
-55.328
5
3050
0.0002
216
610
-55.706
5
3110
0.000005
9
622
-55.875
5
3160
0.000002
5.04
632
-56.014
5
3180
0.000001
3.24
636
-56.069
5
3200
0
0
640
-56.123
VII.
Esta simulación será presentada al final de este informe como parte de los anexos.
F(Hz)
250 500 750 1000 2000 3000 5000 7000 9000 10000
Tabl a de resul tados:
mV
mV
s
4.8
488
0.0012
108
101.66
-40.143
4.8
624
0.0007
126
130
-42.278
4.8
664
0.0005
135
138.33
-42.818
4.8
672
0.0004
144
140
-42.922
4.8
704
0.0002
144
146.66
-43.326
4.8
704
0.00014
151.2
146.66
-43.326
4.8
704
0.0001
180
146.66
-43.326
4.8
712
0.00006
151.2
148.33
-43.424
4.8
720
0.00004
129.6
150
-43.521
4.8
728
0.00003
108
151.66
-43.617
VI.
CONCLUSIONS
Having completed this practice we can conclude the following:
Perform a proper way the respective calculations can be accurate when arming practice, therefore the values obtained are consistent with the simulations. Capacitors are an important factor when getting the desired gain with each circuit. The coupling each stage of the cascade system allows obtaining the desired gain, so a fault in said coupling means an error in the measurements obtained. Once the frequency reaches 500 Hz, the signal must begin stabilizing to obtain a completely stable once they reach 10Hz. The calculations are consistent with the values obtained in measurements and simulations, so that it can be concluded that the practice went well.
IX.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Una vez que se obtuvieron todos los resultados se puede decir que los datos coinciden con las simulaciones, por lo tanto los cálculos realizados son correctos. A más de esto todos los datos tanto calculados como medidos concuerdan con las simulaciones realizas, de esta manera se puede concluir que los datos obtenidos en el desarrollo de la practica son los correctos.
Realizar de una forma correcta los respectivos cálculos permite tener una exactitud al momento de armar la práctica, por lo tanto los valores obtenidos concuerdan con las simulaciones realizadas. Los condensadores son un factor importante al momento de obtener la ganancia deseada con cada circuito. El acoplamiento de cada etapa del sistema cascada permite obtener la ganancia deseada, por lo tanto una falla en dicho acoplamiento significará un error en las mediciones obtenidas. Una vez que se alcanza la frecuencia de 500Hz, la señal debe empezar a estabilizarse hasta obtener un sistema completamente estable una vez que se alcancen los 10Hz. Los cálculos realizados concuerdan con los valores obtenidos en las mediciones y las simulaciones, por lo que se puede concluir que la práctica se desarrolló correctamente.
VIII.
NOTA: L os gráficos y diagr amas serán pr esentados al f in al de este inf orme
CONCLUSIONES
Al haber terminado la presente práctica podemos concluir lo siguiente:
b) Amplificador Darlington
15
BIBLIOGRAFÍA
[1] R. L. Boylestad and L. Nashelsky. Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson Educación, 2003. [2] F. J. Gabiola, D. I. De Telecomunicación Basil, et al. ANÁLISIS Y
DISEÑO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS. Teoría y Ejercicios Resueltos. Editorial Visión Libros, 2007. [3] G. C. Valls, J. E. López, and J. M. Marí. Fundamentos de electronic analogical. Publicacions de la Universitat de Valencia, 2011.
