SEP
DGEST INSTITUTO
TECNOLÓGICO
SNEST
DE
MATAMOROS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Diodos y transistores “Investigación” “Análisis de estabilidad de los transistores”
Alumno(s):
Miguel Angel Fierros Peña
Núm. de control:
11260081
Profesor: Ing.Carlos Octavio De la Cerda
H. MATAMOROS, TAM.
12 de noviembre de 2013
Las variaciones de los parámetros ,como aquellas debidas a cambios de temperaturas ,envejecimiento y sustitución de dispositivo, provocan que la localización del punto de operación de un circuito con transistores se modifique con respecto a su valor nominal .A menudo se consume una considerable esfuerzo en reducir los efectos de estos cambios en los parámetros ya que dichas variaciones pueden afectar de manera adversa el desempeño .Por ejemplo , un cambio de localización del punto Q puede reducir la máxima excursión simétrica sin distorsión de en la tensión de salida. En casos extremos ,estos cambios pueden saturar o poner en corto el transistor sin que este presente se ñal alguna de salida. Los parámetros varia debido a cambios de fuente de alimentación , y en la temperatura, y también debido a las tolerancias en los procesos de fabricación del transistor.
Estabilidad por tipo de polarización : Es tabilidad d e la p olar izac ión c on div is or de v o ltaje Para analizar un circuito
con transistor polarizado utilizando un divisor de voltaje en cuanto a efectos de carga de la corriente en la base, se aplica el teorema de Thevenin. Se utilizará este método para evaluar el circuito. En primer lugar, se obtiene un circuito baseemisor equivalente del circuito de la figura 5-13(a) por medio del teorema de Thevenin. Viendo hacia fuera desde la terminal base, el circuito de polarización puede ser redibujado como muestra la figura 5-13(b). Aplique el teorema de Thevenin al circuito a la izquierda del punto A, con V CC reemplazado por un corto a tierra y el transistor desconectado del circuito. El voltaje en el punto A con respecto a tierra es
y la resistencia es :
El equivalente Thevenin del circuito de polarización, conectado a la base del transistor, se muestra en el recuadro gris de la figura 5-13(c). Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff alrededor de la malla base-emisor equivalente se obtiene Sustituyendo , utilizando la ley de ohm y despejando VTH
Sustituyendo Despejando I E
Estabilidad Polarización del emisor La polarización del emisor proporciona una excelente estabilidad de polarización pese a los cambios de b o temperatura. Utiliza voltaje de fuente tanto positivo como negativo. Para obtener una estimación razonable de los valores de cd clave en un circuito polarizado por el emisor, el análisis es bastante fácil. En un circuito npn, tal como el mostrado en la figura 5-18, la pequeña corriente en la base hace que el voltaje en ésta se reduzca un poco por debajo de tierra. El voltaje en el emisor es la caída de un diodo menor que éste. La combinación de esta pequeña caída a través de R B y V BE hace que el emisor esté aproximadamente a 1 V. Con esta aproximación, la corriente en el emisor se obtiene como
VEE se introduce como un valor negativo en esta ecuación Se puede aplicar la aproximación de que
para calcular el voltaje en el colector .
La aproximación de que es útil para solucionar fallas porque no es necesario realizar cálculos detallados. Como en el caso de polarización por medio de divisor de voltaje, existe un cálculo más riguroso en los casos en los que se requiere un resultado más exacto.
Estabilidad Retroalimentación de corriente Una polarización de moderada estabilidad conocida como retroalimentación de corriente, donde la corriente de colector a través de R E provoca una retroalimentación negativa de tensión .El resistor de base R B provoca una retroalimentación negativa de tensión .El resistor de base ,R B ,se conecta a la fuente ,Vcc. La ecuación de LTK para el lazo de la corriente de polarización está dada por
Vcc = IBQRB + REICQ+VBE
= VBE + ICQ
se resuelve para I CQ para obtener
ICQ =
⁄
Dividiendo entre β , s e obtiene
IBQ =
Nótese que el valor de I BQ es afectado por R B,RE,VBE y β.Los valores específicos de estos parámetros determinan entonces el punto de operación en reposo del transistor.
Polarización por tensión y por corriente Un segundo tipo de retroalimentación, es la retroalimentación por tensión .Nótese que la retroalimentación por corriente en paralelo esta aun presente debido a R E .Se obtiene un mejor desempeño cuando R E = 0 El resistor R F, se conecta entre el colector y la base. La tensión de base a tierra está compuesta entonces de dos elementos, uno que surge por la tensión de entrada y otro por la tensión de colector .Se analiza este circuito escribiendo las ecuaciones de cd entre base y colector .En lo que sigue a continuación, se supone que la corriente de base estatatica es mucho menor que la corriente de colector estática, y por lo tanto se pueden ignorar las ecuaciones Vcc = ICQRC+ IBQRF+VBE+ICQRE =
ICQRC+ IBQRF /β + VBE+ ICQRE
Despejando I CQ, se tiene
ICQ =
⁄
Dividiendo entre β, se obtiene
IBQ =
()
Notese que β aparece en las ecuaciones anteriores . Por lo tanto, la variaciones en β afecta la localización del punto Q .La expresión equivalente del sistema del polarización de la figura anterior para reducir el efecto de los cambios de β es como sigue: RF= 0.1 β (Rc+RE) Esto es un buen criterio de diseño para reducir los efectos de los cambio de β sobre la localización del punto Q, pero no siempre es posible alcanzar este valor de diseño ya que hacerlo reduce la máxima excursión en la salida..
ESTABILIZACIÓN DE LA POLARIZACIÓN La estabilidad de un sistema mide la sensibilidad de una red a la variación de sus parámetros. En cualquier amplificador que emplea un transistor la corriente del colector I C es sensible a cada uno de los siguientes parámetros.
β: Se incrementa con el incremento de la temperatura
VBE: se reduce aproximadamente 2.5 mV por grado Celsius (°C) de incremento de la temperatura. Ico (corriente de saturación inversa): duplica su valor por cada 10°C de incremento dela temperatura .
Cualquiera de, o todos, estos factores puede hacer que el punto de polarización se aparte del punto de operación designado. La tabla 4.2 revela cómo cambian los niveles de I CO y V BE con el incremento de la temperatura para un transistor particular. A la temperatura ambiente (aproximadamente 25°C) ICO _ 0.1 nA, en tanto que a 100°C (punto de ebullición del agua) ICO es casi 200 veces más grande, en 20 nA. Con la misma variación de la temperatura, se incrementade 50 a 80 y VBE se reduce de 0.65 a 0.48 V. Recuerde que IB es bastante sensible al nivel de VBE , sobre todo a niveles superiores al valor de umbral.
La polarización por medio de divisor de voltaje proporciona buena estabilidad del punto Q con un voltaje de fuente de polaridad única. Es el circuito de polarización más común. La polarización del emisor en general proporciona una buena estabilidad de punto Q pero requiere voltajes de alimentación tanto positivos como negativos. La estabilidad de la configuración de circuito de polarización de la base es deficiente porque su punto Q varía ampliamente con Bcd. La polarización con realimentación del emisor combina polarización de base con la adición de un resistor en serie con el emisor La polarización con realimentación del colector proporciona una buena estabilidad utilizando realimentación negativa del colector a la base.
Factores de estabilidad S(ICO) , S(VBE), y S (β) Un factor de estabilidad se define por cada uno de los parámetros que afectan la estabilidad de la polarización, como sigue:
En cada caso, el símbolo delta significa cambio de esa cantidad. El numerador de cada ecuación es el cambio de la corriente de colector establecida por el cambio de la cantidad en el denominador. Para una configuración particular, si un cambio de ICO no produce un cambio significativo en IC , el factor de estabilidad definido por será demasiado pequeño. En otras palabras:
Las redes que son bastante estables y relativamente insensibles a variaciones de la temperatura tienen factores de estabilidad bajos.
Conclusiones Acerca de la estabilidad sabemos que no solamente depende de la configuración que se elija sino que también se debe tomar en cuenta que los dispositivos que no siempre estarán trabajando en las mismas condiciones, con esto nos referimos a la temperatura que es una de las principales variables que afectan el funcionamiento del transistor y a sus variables internas. Por ejemplo la β se incrementa por el aumento de temperatura y esto nos puede afectar en algún circuitos donde no se requiere que β(beta) no cambie mucho es un aspecto en tomar en cuenta. También otro aspecto a tomar en cuenta es el V BE que es el voltaje de base a emisor que se reduce aproximadamente 2.5 mV por grado Celsius (°C) de incremento de la temperatura este aspecto a la ahora del diseño influye en gran magnitud porque con cualquier decimal de voltaje que se reduzca los cálculos cambiaran totalmente el resultado esperado. Esto influye directamente en el punto Q de operación haciendo que cambie. La configuración de polarización del divisor de voltaje es quizá la más común de todas las configuraciones. Su popularidad se debe principalmente a su baja sensibilidad a los cambios de beta de un transistor a otro del mismo lote (con la misma etiqueta de transistor). Se puede aplicar el análisis exacto a cualquier configuración, aunque el aproximado sólo se puede aplicar si la resistencia de emisor reflejada vista en la base es mucho mayor que el resistor de menor valor de la configuración de polarización del divisor de voltaje conectada a la base del transistor.
Bibliografía
Boylestad Robert L. Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 10m Edición-Pearson Educación, México, 2009 C. J. Savan, Diseño Electrónico, 3ª Edición Editorial Prentice-Hall
Floyd, Thomas L. Dispositivos-Electrónicos 8Edicion, Pearson educación
México, 2008
