UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR
DE
SAN
MARCOS
Universidad del Perú, Decana de América ( Universidad
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA Y ELECTRÍCA
AMPLI!ICACI"N C#rs$ #rs$
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La& La&$ra' $ra'$r $ri$ i$ de Circ# irc#i' i'$s $s Eléc Eléc''r$ni r$nic$ c$ss I
In'eran'es% )EVIN OSORIO MIRANDA
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TRANSISTOR El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplicador, oscilador, conmutador o recticador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, graadores, reproductores de audio ! vdeo, #ornos de microondas, lavarropas automáticos, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relo$es de cuar%o, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas &uorecentes, equipos de ra!os ', tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp, celulares, etc. El transistor ipolar es el más comn de los transistores, ! como los diodos, puede ser de germanio o silicio. E*isten dos tipos transistores: el ++ ! el +, ! la dirección del &u$o de la corriente en cada caso, lo indica la &ec#a que se ve en el gráco de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de patillas con los siguientes nomres: ase (-), colector () ! emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la &ec#a en el gráco de transistor.
Transistor NPN
Transistor PNP
El transistor es un amplicador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (ase), el entregará por otra (emisor) , una cantidad ma!or a ésta, en un factor que se llama amplicación. Este factor se llama (eta) ! es un dato propio de cada transistor.
Entonces: / 0c (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a (factor de amplicación) por 0 (corriente que pasa por la patilla ase). / 0c 1 2 3 0 / 0e (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que 0c,
sólo que, la corriente en un caso entra al transistor ! en el otro caso sale de el, o viceversa.
4egn la fórmula anterior las corrientes no dependen del volta$e que alimenta el circuito (5cc), pero en la realidad si lo #ace ! la corriente 0 camia ligeramente cuando se camia 5cc. 5er gura.
6egiones operativas del transistor: -Región de corte: 7n transistor esta en corte cuando: corriente de colector 1 corriente de emisor 1 8, (0c 1 0e 1 8). En este caso el volta$e entre el colector ! el emisor del transistor es el volta$e de alimentación del circuito (como no #a! corriente circulando, no #a! cada de volta$e, ver 9e! de #m). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de ase 1 8 (0 18) -Región de saturación: 7n transistor está saturado cuando: corriente de colector 1 corriente de emisor 1 corriente má*ima, (0c 1 0e 1 0 má*ima) En este caso la magnitud de la corriente depende del volta$e de alimentación del circuito ! de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en amos, ver le! de #m. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de ase es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector 2 veces más grande. (recordar que 0c 1 2 3 0)
-Región activa: uando 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 (0c) depende principalmente de la corriente de ase (0), de 2 (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del faricante) ! de las resistencias que #a!an conectadas en el colector ! emisor). Esta región es la mas importante si lo que se desea es utili%ar el transistor como un amplicador. onguraciones: ;a! tres tipos de conguraciones tpicas en los amplicadores con transistores, cada una de ellas con caractersticas especiales que las #acen me$or para cierto tipo de aplicación. ! se dice que el transistor no está conduciendo. +ormalmente este caso se presenta cuando no #a! corriente de ase (0 1 8) / Emisor comn / olector comn / -ase comn
JFET En los transistores bipolares, una pequeña corriente de entrada (corriente de base) controla la corriente de salida (corriente de colector); en los casos de los FET, es un pequeño voltaje de entrada que controla la corriente de salida. La corriente que circula en la entrada es generalmente despreciable (menos de un pico amperio). Esto es una gran ventaja, cuando la señal proviene de un dispositivo tal como un micróono de condensador o un transductor pie!o el"ctrico, los cuales proporcionan corrientes insigniicantes. Los FET#s, b$sicamente son de dos tipos% El transistor de eecto de campo de &untura o &FET. El transistor de eecto de campo con compuerta aislada o 'FET, tambi"n conocido como semiconductor de óido de metal, *+, o simplemente *+FET. -'-/'T+ E0/'12LE3TE FET 4E 2El circuito equivalente de ac para un FET se ilustra en la igura. 2qu5 se muestra solo el dispositivo FET con un voltaje de entrada de ac, 1gs.
El modelo de ac, o circuito equivalente de ac, 6nicamente para el dispositivo FET, consiste en una uente de corriente controlada por voltaje entre los terminales de 4renaje 7 de Fuente, que depende del valor gm del dispositivo 7 del voltaje de ac de entrada 1gs, 7 una resistencia de ac del dispositivo entre los terminales de drenaje a uente con valor de rd (resistencia de ac de salida).
EL 2*8L'F'-24+ F/E3TE -+*/3 -%
anancia de 1oltaje La ganancia de voltaje de un ampliicador FET puede obtenerse del circuito equivalente de ac. 4el circuito equivalentes de ac se puede observar que% 1+ 9 : (gm.1gs)(4rd) 21 9 1+<1i 9 =: (gm.1gs)(4rd)><1gs 21 9 : gm.(4rd) i el valor de la resistencia del dispositivo, rd, es muc?o ma7or que la resistencia del circuito, 4, la ecuación para la ganancia de voltaje es casi igual a %
21 9 : gm.4 MOSFET
Modos de operación= La operación de un transistor *+FET se puede dividir en tres dierentes regiones de operación, dependiendo de las tensiones en sus terminales. En la presente discusión se utili!a un modelo
algebraico que es v$lido para las tecnolog5as b$sicas antiguas, 7 se inclu7e aqu5 con ines did$cticos. En los *+FET modernos se requieren modelos computacionales que e?iben un comportamiento muc?o m$s complejo. 8ara un transistor NMOS de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones% Cuando VGS < Vth en donde 1t? es la tensión de umbral del transistor 4e acuerdo con el modelo b$sico del transistor, en esta región el dispositivo se e ncuentra apagado. 3o ?a7 conducción entre e l surtidor 7 el drenador, de modo que el *+FET se comporta como un interruptor abierto. /n modelo m$s eacto considera el eecto de la energ5a t"rmica descrita por la distribución de @olt!mann para las energ5as de los electrones, en donde se permite que los electrones con alta energ5a presentes en el surtidor ingresen al canal 7 lu7an ?acia el drenador. Esto ocasiona una corriente de subumbral, que es una unción eponencial de la tensión entre compuerta:surtidor. La corriente de subumbral est$ descrita aproimadamente por la siguiente epresión%
en donde '4A es la corriente que eiste cuando 1 9 1t?, 1T 9 BT
Vth y VDS < ( VGS – Vth 2l polari!arse la puerta con una tensión ma7or que la tensión de umbral, se crea una región de agotamiento en la región que separa la uente 7 el drenador. i esta tensión crece lo suiciente, aparecer$n portadores minoritarios (?uecos en 8*+, electrones en 3*+) en la región de agotamiento, que dar$n lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una dierencia de potencial entre uente 7 drenador dar$ lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de compuerta.
La corriente entre el drenador 7 el surtidor es modelada por medio de la ecuación%
donde
es la movilidad eectiva de los portadores de carga,
es el anc?o de compuerta, es la longitud de compuerta 7 es la capacitancia del óido por unidad de $rea.
Saturación Cuando VGS > Vth y VDS > ( VGS – Vth -uando la tensión entre drenador 7 uente supera cierto l5mite, el canal de conducción bajo la puerta sure un estrangulamiento en las cercan5as del drenador 7 desaparece. La corriente entre uente 7 drenador no se interrumpe, 7a que es debido al campo el"ctrico entre ambos, pero se ?ace independiente de la dierencia de potencial entre ambos terminales. En esta región la corriente de drenador se modela con la siguiente ecuación%
Estas ecuaciones son un modelo sencillo de uncionamiento de los transistores *+FET, pero no tienen en cuenta un buen n6mero de eectos de segundo orden, como por ejemplo%
aturación de velocidad% La relación entre la tensión de puerta 7 la corriente de drenador no crece cuadr$ticamente en transistores de canal corto. Eecto cuerpo o eecto sustrato% La tensión entre uente 7 sustrato modiica la tensión umbral que da lugar al canal de conducción *odulación de longitud de canal.
SIMULACION
K C
4C
AB
AA
-
B @
-K
2
@
@
-
-
4
4
4
-
GAA
2
B
IB
@C
-G
C1
- H.JuF
H.JuF
4
K
H.JuF
2
0
-C
3KICM
DG.HI
0K
Volts
32
0C Volts
H.JuF
A
CB
Volts
DA.JA
CAB
"
C
-
GAA
H.JuF
AC
H
CB
IB
Volts
E HAA
-H H.JuF
# !M
FM
AK CB
G
:K.IG
B
Volts
DC.J Volts
:A.C
A
mV
Volts
C
CB :.GM
3JAAA DJ.H
DC.I
-J
HAA
H.JuF
CONCLUSIONES •
•
4e puede concluir que el amplicador, posee un uen rendimiento tanto en a$as frecuencias, como en altas frecuencias, #aciendo que este sea lo sucientemente comercial onclu!o que el amplicador dise