PREVIO 1_LAB 4-5

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

PREVIO Nro. 1

“LABORATORIOS 4 Y 5 DE LA GUÍA” CURSO: Laboratorio de análisis y diseño de circuitos electrónicos DOCENTE: Capcha Buiza Pedro ALUMNOS:

ML 831

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

LIMA – PERÚ 2015

LABORATORIO Nro. 4 DISEÑO Y ANALISIS DE UN AMPLIFICADOR MONO-ETAPA: CONEXIÓN EN CASCADA Y AMPLIFICADOR DARLINGTON

OBJETIVOS 

Diseñar y analizar el funcionamiento de un circuito amplificador monoetapa, haciendo uso de un transistor bipolar, teniendo en cuenta la corriente, la ganancia de tensión e impedancia de entrada y de salida.



Implementar y analizar el funcionamiento de un circuito amplificador cascada, teniendo en cuenta la ganancia de tensión, la onda de entrada y la onda de salida.



Implementar y analizar el funcionamiento de un circuito amplificador Darlington, teniendo en cuenta la ganancia de tensión, la onda de entrada y la onda de salida.

FUNDAMENTO TEÓRICO 1. TRANSISTOR BIPOLAR El transistor de unión bipolar es un dispositivo 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. El transistor bipolar está compuesto por 3 terminales, llamadas base, colector y emisor. Estos dispositivos son controlados por corriente.


Existen 3 tipos de configuraciones de transistores bipolares con características particulares cada una de estas configuraciones. Mencionaremos las 3 configuraciones de un transistor bipolar: 1- Emisor Común. 2- Base Común. 3- Colector Común. 1.1.

ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO:

Figura 1. Estados de funcionamiento del transistor bipolar

1.1.1 SATURACIÓN. El transistor permite el paso de corriente desde el colector al emisor. De todas formas esta corriente no puede ser demasiado elevada, ya que la propia corriente calienta al transistor por efecto Joule y si se calienta excesivamente, puede estropearse de forma permanente. Para un transistor de silicio que se encuentra en saturación la tensión entre la base y el emisor es de 0,7 V y entre la base y el colector de unos 0,5 V, de donde se deduce que la tensión entre el colector y el emisor será de unos 0,2 V. 1.1.2.CORTE. En este estado el transistor no permite el paso de corriente entre el colector y el emisor, se comporta como si fuera un interruptor abierto. Para un transistor de silicio que se encuentra en corte las corrientes de emisor y de colector son nulas y las tensiones entre la base y el emisor y entre la base y el colector son ambas menores de 0,7 V.


1.1.3.AMPLIFICACIÓN. Cuando un transistor se encuentra en este estado de funcionamiento, permite amplificar la potencia de una señal. Por lo tanto si lo que se pretende es que el transistor se comporte como un interruptor controlado electrónicamente, lo único que hay que conseguir es que pase de los estados de saturación a corte y viceversa. Eso sí hay que tener en cuenta las limitaciones de corriente, para no deteriorarle. En electrónica digital, los transistores funcionando en saturación o en corte.

suelen

estar

2. AMPLIFICADOR MONOETAPA CON TRANSISTORES BIPOLARES En esta figura vemos un amplificador mono-etapa de emisor común para señales débiles, este está excitado mediante un generador de tensión. Primero procederemos a realizar el estudio estático para obtener el punto Q de polarización.

Figura 2. Amplificador monoetapa con transistores bipolares

1.2.

ANÁLISIS ESTÁTICO

Como vamos a realizar el estudio en continua se cortocircuito el generador (se anula la excitación) y como la frecuencia es cero, entonces los capacitores se comportan como un circuito abierto, eso quiere decir que la reactancia capacitiva tiende a infinito.

XC=

1 =infinito 2 πfc

Entonces el circuito nos queda de la siguiente manera:


Figura 3. Análisis estático del amplificador monoetapa

Observando este circuito podemos obtener el punto Q de polarización debemos obtener la corriente de colector y la tensión colector emisor. En primer lugar analizamos la malla de entrada del transistor, aplicando el teorema de Thevenin podemos obtener los puntos de polarización. Podemos plantear al circuito de otra manera aplicando el teorema de Thevenin.

V Th=V cc

R2 R1 + R2

Rb=R 1 /¿ R2 Utilizando la Segunda Ley de Kirchoff:

I cq=I b H fe

Como:

V Th – I cq

V Th – I b R b – V be – I cq Re =0 .

Rb −V be – I cq Re =0. H fe

Figura 4. Teorema de Thevenin aplicado al análisis estático del amplificador mono-etapa


h fe

Si el

(ganancia estática del transistor) es muy grande podemos

llegar a despreciar ese término y la ecuación de entrada nos queda de la siguiente manera.

I cq=

V Th−V be Re Mediante esta ecuación sacamos las siguientes conclusiones, en primer lugar la corriente del colector depende del valor de la resistencia del emisor (también podemos verla como un generador de corriente). En caso que Re sea grande la corriente del colector sería una pequeña y demostraremos más adelante que disminuye la ganancia de tensión del transistor. Ahora analizaremos la malla de salida del transistor.

V cc – I cq R C – Rceq – I cq R e=0 V ceq =V cc – I cq ( RC +R e )

Figura 5. Análisis de malla de salida del transistor del amplificador mono-etapa

1.3.

ANÁLISIS DINÁMICO

Se aplica una alimentación alterna al transistor, las reactancias capacitivas se comportan como un cortocircuito (

XC

tendería a cero),

anulándose las fuentes de alimentación de corriente continua. Veremos el circuito equivalente a continuación.


Figura 6. Análisis dinámico del amplificador monoetapa

Desarrollaremos un poco más en detalle al transistor:

Figura 7. Transistor detallado

Dónde:

Ri : Resistencia de entrada del transistor. Ria : Resistencia de entrada de la etapa amplificadora. Ris : Resistencia de entrada del sistema. Por otro lado la

Ri

o

hie

Ria =Rb / ¿ hie

Ria

es igual al paralelo de la resistencia

Rb

con


Lo cual ˃˃

Ria

sería prácticamente igual a

hie , debido que

Rb

hie , entonces: Ria ≅ hie Ro : Resistencia de salida del transistor. R o=

1 h oe : El

hoe

es la conductancia de salida del transistor.

Roa : Resistencia de salida del amplificador. La paralelo entre la resistencia de salida

Ro

con

llamada resistencia dinámica es el paralelo entre

Ro

Roa

es el

Rd , la

Rd

Rc /¿ R l . Como

es muchísima más grande que la resistencia, entonces

podemos adoptar que

Roa

es prácticamente

Rd .

Ros : Resistencia de salida del sistema. Ahora colocamos en la salida del transistor una resistencia de carga, el circuito equivalente sería similar al anterior, con esto analizaremos las características de esta mono-etapa del transistor.

En primer lugar calcularemos la ganancia de corriente del amplificador.

Figura 8. Cálculo de la ganancia de corriente del amplificador


ganancia de corriente del amplificador:

A l=

I o=I C

ganancia de corriente del sistema:

A is =

Io Ib

A is =

RC RC =I b h fe R C + Rl R C +R l

A l=hfe

Io I

Io Io Ib = I Ib I

Ib Rb = I R b + Ri

RC R C+ R l

A is = Ai

Rb R b+ R i

Figura 9. Cálculo de la ganancia de corriente del sistema

Calculamos la ganancia de tensión: La

Rd

es el paralelo entre la

resistencia del colector ( resistencia de carga (

V o=−gm V Rd

A v=

Vo V

Por último, calcularemos la ganancia de tensión del sistema:

Rc ) y la

A vs =

RI ) A vs =

Vo Vs

Vo V1 Ria =−gm Rd V1 Vs Ria + R s

A vs = A v

Ria R ia + R s


A V =−g m R d

Figura 10. Cálculo de la ganancia de tensión del sistema

3.

AMPLIFICADOR MULTIETAPAS Cuando nos referimos a un amplificador, estamos hablando de un circuito capaz de procesar las señales de acuerdo a la naturaleza de la aplicación. El amplificador sabrá extraer información de toda señal, de tal manera, que permita mantener o mejorar las características del sensor o transductor utilizado la nuestra aplicación. Por ejemplo: Si la aplicación está inmersa en algún tipo de ruido, el amplificador no deberá amplificar el ruido, es más, debe atenuarlo de toda la señal y/o del medio imperante. La tarea se deberá realizar sin distorsionar la señal, sin perder información, ni inteligencia. Un criterio universal al plantearse el diseño de un amplificador, consiste en, seleccionar la primera etapa de este como un pre amplificador, es decir, como un amplificador que permita preparar adecuadamente la fuente de señal para ser posteriormente procesada y amplificada. Una segunda etapa, consistirá netamente en obtener amplificación de o las variables involucradas. En muchos casos, y con el fin de evitar niveles de saturación, se reserva más de una etapa para esta tarea. Por regla general, la etapa final será exclusivamente una etapa de potencia. Esta etapa, es en realidad la que permite la materialización de nuestra aplicación en un ambiente completamente ajeno a las pequeñas señal.

4.

CONEXIÓN EN CASCADA Una conexión popular de etapas de amplificador es la conexión en cascada. Básicamente en cascada es una conexión en serie con la salida de una etapa aplicada como entrada a la segunda etapa. La


conexión en cascada proporciona una multiplicación de la ganancia de cada etapa para una mayor ganancia general. La ganancia general del amplificador en cascada es el producto de las ganancias y de las etapas. En la siguiente figura se muestra un amplificador en cascada con acoplamiento Rc usando BJT. La ganancia de voltaje de cada etapa es:

A v 1=

−R C /¿ R L ℜ

La impedancia de entrada del amplificador es la de la etapa 1:

Z 1=R 1 /¿ R2 / ¿ β ℜ Y la impedancia de salida del amplificador es la de la etapa 2:

Z 2 ≈ R C /¿ r o

Figura 11. Diagrama de Conexión en Cascada

5.

CONEXIÓN EN DARLINGTON El transistor Darlington es un dispositivo semiconductor que combina dos transistores bipolares en un tándem (a veces llamado par Darlington) en un único dispositivo. Esta configuración sirve para que el dispositivo sea capaz de proporcionar una gran ganancia de corriente y, al poder estar todo integrado, requiere menos espacio que dos transistores normales en la


misma configuración. La ganancia total del 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 transistores de silicio es superior a 1.2V. La beta de un transistor o par Darlington se halla multiplicando las de los transistores individuales.

Figura 12. Diagrama de Conexión en Darlington

la intensidad del colector se halla multiplicando la intensidad de la base por la beta total.

Darlington=¿ β 1 β 2 + β 1+ β2 β¿ Si β1 y β2 son suficientemente grandes, se da que:

β Darlington ≈ β 1 β 2 Un inconveniente es la duplicación aproximada de la base-emisor de tensión. Ya que hay dos uniones entre la base y emisor de los transistores Darlington, el voltaje base-emisor equivalente es la suma de ambas tensiones base-emisor:

BE=¿ V BE 1 +V BE 2 ≅ 2V BE 1 V¿


MATERIALES o o o o o o o o o o o

Transistores 2N2222 Transistores BC142 Transistor 2N3904 Resistencias Capacitores Un generador de funciones Protoboard Multímetro Osciloscopio Cables telefónicos Fuentes de alimentación 0 a 30v.

CIRCUITOS DEL LABORATORIO 1. ANÁLISIS DE UN AMPLIFICADOR MONOETAPA BASADO EN UN TRANSISTOR BIPOLAR 12V R1 1uF + Vi R2

1kHz

Vo

Q1 2N3904

+

Rs 600

Vs -50/50mV

Rc 3.3k

Re 330

Ce 1uF

Figura 24. Circuito del amplificador mono-etapa basado en transistor bipolar

2. CONEXIÓN EN CASCADA Vcc 24V

R3 4.7k

C1 22uF +

R5 150k

Q1 2N2222 R2 22k

R4 1.2k

C2 10uF

C4 22uF +

R7 4.7k Q2 2N2222 +

1kHz

C5 22uF +

R1 150k

+

V1 -100u/100uV

R6 22k

R8 1.2k

C3 10uF

R9 10k

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 25. Circuito con Conexión en Cascada

3. CONFIGURACIÓN DARLINGTON COMO SEGUIDOR EMISIVO Vcc V1 -100m/100mVC5 22uF +

20V

R1 75k

2N2222 2N2222 R3 100k

1kHz R2 12k

C3 22uF +

+ 100uF C1

R8 15k

R9 10k

Figura 26. Circuito con Configuración Darlington como seguidor emisivo

4. CONEXIÓN CASCODE

Figura 27. Circuito con Cascode Connection

LABORATORIO Nro. 5 PARAMETROS Y AUTOPOLARIZACIÓN DEL FET (EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO) 1. Explicar cómo se obtiene el punto “Q” de trabajo de la figura 1 2. Como se obtiene la curva de transferencia Io vs Vgs indicando los puntos

Io  (1 / Rs ).Vgs de operación y las rectas de polarización

Obtenidas

Vgs  IoRs de por inducción de la curva aproximar los datos de FEJFET como son Idss y Vp.


3. Como se Traza la curva de transferencia Id Vs Vgs indicando los puntos de operación obtenidos Indicar la zona del transistor JFET y la recta de carga en cada caso. 4. Para el Circuito. de la figura 2 se pide los valores de Id=? y Vds = ? Datos: Idss=12 mA, Vp=-4V. (Estos datos son para el circuito 1) Desarrollo del circuito numero 2:

BAT1

20V

R2

R3

420k

2.7k

CIRCUITO 2

Q1

Id = 2,41mA

2N3819

R1

Vds = +6.98 volt

180K

R4 2.7k


CIRCUITO 1

BAT2 1.5V

R9 10k

C2 0.047uF

R8 3000k

3

BAT3

SE CAMBIO POR OTRO MOSFET

9V

Q2 C1

1

0.047uF

Confirmar voltaje

2N7000

2

R5

R6

100k

1k

C3 100uF

confirmar voltaje


MATERIALES :

Figura 13. Transistor 2N2222 Figura 14. Transistor BC142

Figura 15. Transistor 2N3904 Figura 16. Resistencias eléctricas de 2.8 ohms

Figura 17. Capacitor electrolítico Figura 18. Generador de funciones

Figura 19. Protoboard Figura 20. Multímetro


Figura 21. Osciloscopio

Figura 22. Cables telefónicos

Figura 23. Fuente de alimentación

SIMULACIONES : 1. SIMULACIÓN DE LOS CIRCUITOS DEL LABORATORIO 4 EN PROTEUS

Fig.1 Amplificador mono-etapa


Fig. 2 Conexión en cascada

Fig. 3 Conexión Darlington


Fig. 4 Conexión cascodo

2. SIMULACIÓN DE LOS CIRCUITOS DEL LABORATORIO 5

Fig. 5 Circuito transistor MOSFET


Fig. 6 Circuito transistor FET


BIBLIOGRAFÍA [1] P. Capcha, “Guía de Laboratorio de Análisis y Diseño de Circuitos Electrónicos”, Universidad Nacional de Ingeniería, 2015 [2] R. Boylestad, “Electrónica: Teoría de Circuitos”, Prentice Hall, Octava Edición, 2008. [3] A. S. Sedra, K. Smith, “Circuitos Microelectrónicos”, Oxford University Press, Cuarta Edición, 1998.


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