el-bjt-como

INFORME GUIA N. 10, 11 DE JUNIO 2015

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El BJT como amplificador de peque˜ pequena n˜ a se˜ senal, n˜ al, acoplador de impedancias y comparador Karen Atsumi Osako [25451569], Giovany Britton Orozco [25451417], David Ovalle Taylor [25451525] Universidad Nacional de Colombia  Laboratorio de Electr´  onica An´  aloga I [2016495-9]

 Abstract  - The BJT transistors, how has been mentioned in previous reports they be, same as Mosfets, dispositives to design amplifiers. In base that was mentioned, in this laboratory, we designed the proposed amplifiers (common collec collector tor,, common common emitte emitterr and the cascad cascadee ampli amplifier fier configuration ) analyzed each configuration and measured the basic parameters that describe our amplifiers (Av, Vi, Vo, Zi, Zo).  Keywords  - Collector Collector,, emisor emisor,, base, BJT, BJT, common common emisor emisor config., common collector config.

 Resumen  - Los transistores BJT, como se mencion o´ en informes anteriores resultan ser, al igual que los Mosfets, dispos dispositi itivo voss para para dise dise ˜  nar nar ampl amplifi ifica cado dore res. s. A part partir ir de  ˜  lo menc mencio iona nado do,, en este este labo labora rato tori rio o fuer fueron on dise dise ˜  nados los ampli amplifica ficador dores es propu propuest estos os (colec (colector tor com´un, un, emisor emisor com´un un y configuracion o´ n cascada), analizados y a partir de metodos e´ todos experimentales se determin o´ los par ametros a´ metros que caracterizan al circuito (Av, Vi, Vo, Zi, Zo).  Palabras clave   - Colect Colector or,, emisor emisor,, base, base, BJT, BJT, emisor emisor comun, ´ colector com un ´

I.

´ I NTRODUCCI ON

Como Como se mencio mencion´ n´o en informes informes anteriores, anteriores, el transist transistor or de uni´on on bipolar o BJT, por sus siglas en ingl´es, es, constituye uno uno de los los gran grande dess salt saltos os tecn tecnol ol´ogic o´ gicos os ocur ocurri rido doss en la historia reciente de la humanidad [ 2]. 2]. Una de sus m´ multiples u´ ltiples aplicacio aplicaciones nes en configurac configuracii on o´ n AC, es el ampl amplifi ifica cado dorr de peque˜ pequena n˜ a se˜ senal, n˜ al, que puede ser dise nado n˜ ado a partir de diferentes polarizaciones, bas´andose andose en cual de las terminales escogidas va a entrar la se nal, n˜ al, y en cual va a salir; esto adem as a´ s implica escoger como punto com un ´ la terminal restante. A diferencia del Mosfet, los transistores de uni on o´ n bipolar resp respon onde den n de mejo mejorr mane manera ra a las las pola polari riza zaci cion ones es para para amplificad amplificador or,, por eso suelen ser utilizados utilizados para construir construir la mayor´ıa ıa de los dispositivos dispositivos anal´ogicos ogicos de la actualidad. Por otro lado, los Mosfets, Mosfets, independient independientemen emente te de que sea m as a´ s dif ´ıcil ıcil ser polarizado para esta funci on, o´ n, siguen siendo l´ l´ıderes ıderes en la construcci on o´ n de memorias y switches, que constituyen la electronica o´ nica digital del momento.

Por otro lado, tenemos que para los BJT’s en amplificaci´on, si se juega de la manera adecuada con las terminales y los capa capaci cito tore res, s, se pued pueden en obte obtene nerr m ultiples u´ ltiples configuraci configuraciones ones que en realidad no amplifican, pero en base a la resistencia de entrad entradaa y salida salida result resultant ante, e, puede puede obtene obtenerse rse circui circuitos tos acopladores, desacopladores seguidores, atenuadores, etc [ 1]. 1].

II.  II-A.

O BJETIVOS

Objetivo general

Aplica Aplicarr la teor teor´ıa ıa basica a´ sica de transi transisto stores res de uni´ union o´ n bipolar bipolar (BJT) para amplificar se entre etapas de circuitos electr´onicos y para elaborar circuitos comparadores de tensi on. o´ n.

 II-B.

Objetivos espec´  espec´  ıficos Dise˜ Disenar n˜ ar e implemen implementar tar circuitos circuitos de amplificac amplificacii on o´ n de peque˜ pequena ˜ senal ˜ con transistores configuraron de emisor com´ comun u´ n y colector com un. u´ n. Comprobar la veracidad de los desarrollos te´oricos oricos de los amplificadores implementados con BJT, mediante la comparaci´ comparacion o´ n con los resultados obtenidos en la practica. Validar experimentalmente el funcionamiento funcionamiento del transistor BJT como acoplador de impedancias entre etapas de circuitos electr´onicos onicos , en configuraci´on on de Implementar un circuito de comparaci on o´ n de niveles de tensi´ tension o´ n a trav´ traves e´ s del uso de transistores

III.  III-A.

´ MARCO TE ORICO

Transistores Transistores BJT 

Los transi transisto stores res BJT son transi transist store oress hechos hechos con una capas capas de materi material al semico semicondu nducto ctorr con impur impureza ezass de tipo tipo N y P intercal intercaladas adas,, pueden pueden presenta presentarse rse como NPN o PNP, PNP, de tal manera manera que funcio funciona na de forma forma semeja semejante nte a los diodos diodos.. De forma forma an´ analoga a´ loga es como imaginar imaginar dos diodos diodos acoplados acoplados al mismo mismo anod a´ nodo o o c´atodo, atodo, seg´ seg´un u n sea sea el tipo tipo de tran transi sist stor or empleado. Los transi transisto stores res pueden pueden pensar pensarse se como como una fuente fuente dependie pendiente nte de volta voltaje, je, esto esto tomand tomando o en cuenta cuenta la relaci relacion o´ n dada dada entr entree el volt voltaj ajee vist visto o entr entree el emis emisor or y la base base con con la corrie corriente nte que circul circulaa a trav trav es e´ s del colect colector or,, esta esta relaci relaci´on o´ n generalmente es no lineal, pero dada ciertas circunstancias es

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posible limitar el voltaje visto como la entrada de forma tal que la relaci´on se asemeje mucho a una vista en un elemento pasivo. Estos transistores pueden ser relacionados seg´un las f o´ rmulas descritas abajo, para las se n˜ ales intensas.

I C  = I S  ∗ e

V  BE V  T 

relaci o´ n entre el voltaje presente de entrada y el de salida en la resistencia.

(1)

Generalmente no se usa este modelo pues muchas veces no conocemos el valor de  I S .

I E  = I C  + I B

(2)

I C  = I B β 

(3)

I C  = I E α

(4)

β  β  + 1

(5)

α =

Las ecuaciones antes mencionadas son par´ametros dados por el fabricante, siendo β   un factor de amplificacio´ n que se determina por el dise n˜ o del BJT junto a otros par´ametros f ´ısicos, esto tambi´en tendr´a una dependencia significativa si el transistor es de tipo PNP o NPN debido a la movilidad de cargas libres en cada dise˜no. Dado a la relaci o´ n de corrientes y voltajes dado por los terminales del BJT podemos emplear un modelo de transconductancia para simular el comportamiento del transistor en el an´alisis de pequen˜ a se˜nal. Un simple modelo de amplificaci o´ n en un transistor bipolar se muestra en la imagen siguiente:

Figura 2. Relaci´on de voltaje base-emisor Vs voltaje base- colector. [1].

Como podemos ver la relaci o´ n existente en estos terminales no es enteramente lineal, pero si examinamos la relaci o´ n existente entre los puertos detalladamente podemos ver que existe una regi´on con una pendiente constante, esta regi´on de operaci´on del transistor se conoce como saturaci o´ n y es la principal zona de amplificaci o´ n de sen˜ ales para la cual se desea polarizar el transistor. La forma adecuada para utilizar un transistor como amplificador consiste primero en polarizarlo, por polarizaci on ´ nos referimos de configurar el BJT en un estado de operaci o´ n antes de alimentarlo con la se n˜ al dependiente de tiempo, como podemos ver en el caracter´ıstico de voltaje del componente deseamos que este opere en modo activo. Esto se puede lograr primeramente polarizando el BJT a un punto Q por medio de un circuito en DC, luego de esto se le acopla la se n˜ al AC a la terminal de entrada. Podemos reproducir el comportamiento de amplificaci o´ n del BJT en la imagen siguiente:

Figura 1.

Circuito amplificador Simple [1].

Como vemos, existe una dependencia entre el voltaje  V BE  y la corriente en el colector, en los casos en los que se requiera hacer una amplificacio´ n de voltaje se procede a utilizar una resistencia de carga RL   el forma tal que la corriente del colector transite por esta misma. Teniendo este modelo de amplificaci´o n de peque˜n a se˜nal, podemos determinar una

Figura 3.

Modelaci´on de la amplificaci´on del transistor [1].

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Como vemos el punto Q debe seleccionarse de forma tal que la se˜nal de entrada posea el m´aximo rango de variaci´on, esto puede lograrse ubicando el punto de polarizaci´o n en un punto intermedio de la zona de saturacio´ n, para efectos pr´acticos y obtener un intervalo de mayor tama n˜ o se suele elegir el voltaje de alimentaci o´ n grande. Para poder caracterizar el BJT como amplificador tenemos que tener en cuenta ciertos par a´ metros necesarios. Un caracter´ıstica primordial es el factor de amplificaci´on, es decir, la relaci´on existente entre la entrada y salida del BJT. Para poder encontrar esta relaci o´ n podemos examinar el caracter´ıstico del transistor y notar que la pendiente de polarizaci o´ n determinara este comportamiento, es notable resaltar que la pendiente presente es de magnitud negativa, este hecho tiene como consecuencia la inversi o´ n de la se n˜ al de entrada en el tiempo. Para terminar con este an a´ lisis tambi e´ n es necesario resaltar la dependencia de el voltaje de salida con la corriente que fluye a trav´es del colector. La siguiente secuencia de ecuaciones resume las caracter´ısticas escenciales de amplificaci´on del BJT. Ecuaciones utilizadas en el an a´ lisis de peque ˜  na se ˜  nal:

ic  = i b β 

(6)

ic  = i e α

(7)

ie  = i c  + ic

(8)

gm =

ic I C  = vbe V T 

(9)

vbe ie

(10)

re =

Figura 4.

Modelo

π

 y modelo t  [1].

La implementaci o´ n de estos esquemas depender a´ de como se acoplan los elementos al transistor. El an a´ lisis de los transistores BJT se simplifica de manera considerable por la utilizaci´on de estos modelos y la relaci o´ n presente para cada configuraci´on.

Resistencia en el emisor, utilizado en el modelo ”T”.

rπ =

vbe ib

(11)

Resistencia en la entrada del transistor, utilizado en el modelo ”π”.

ro =

V A I C 

 III-B.

Configuraciones b´  asicas de amplificacion ´ 

(12)

Resistencia output del transistor, esta resistencia se aplica entre el colector y el emisor. Dada a las caracter´ısticas presentes en el transistor existen dos modelos destacados que permiten estudiar de una forma simple el comportamiento de este en amplificaci o´ n, estos modelos se basan en el funcionamiento de los amplificadores operacionales, se les conoce como modelo π  y modelo t. Un esquema funcional de ambas configuraciones se muestra en la siguiente imagen:

Existen tres configuraciones b a´ sicas de funcionamiento, estas configuraciones se basan en la conexi´o n de una de las terminales del BJT a tierra, de tal forma que las otras terminales queden referenciadas a este mismo punto de trabajo. Las distintas configuraciones se conocen como emisor com u´ n, base com´un y colector com u´ n. La siguiente imagen muestra un esquema de cada una de las configuraciones:

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de Vcc, para que permitir un buen rango de amplificaci o´ n sin que se corte la onda. - para realizar el proceso de amplificaci o´ n, se puede utilizar  una resistencia la cual llamamos RE    en serie con el condensador degenerado para ajustar la ganancia del amplificador sin alterar la polarizaci o´ n del circuito.

Figura 6.

 III-D.

Figura 5.

Modelos b´asicos de configuraci´on [1].

Circuito amplificador emisor com´u n con BJT [3].

Amplificador colector com´  un

Los amplificadores de colector com u´ n, tienen por caracter´ıstica, una baja amplificaci´on, generalmente cercana a 1. Su principal uso es para reducir la impedancia de salida de las sen˜ ales. Para dise˜nar un circuito amplificador colector com u´ n, se polariza pero con menos restricciones, solamente debe estar en la zona activa y que la tensi o´ n en el colector sea suficientemente grande para garantizar que la tensi o´ n vbe no caiga. Para la ganancia de peque na ˜ se˜nal es aconsejable utilizar  una resistencia  R E  en serie con el condensador de salida que va en serie con la carga, para ajustar la ganancia deseada sin alterar la polarizaci o´ n.

Cada una de las amplificaciones posee susrespectivas ventajas en comparaci´on con las otras, se tienen configuracines con una amplificaci o´ n alta, junto a otras configuraciones en donde las impedancias de acoplamiento pueden ser grandes o peque˜nas, dependiendo del requerimiento.

 III-C.

Amplificador emisor com´  un

Los amplificadores emisor com u ´ n son los amplificadores BJT m´as utilizados, poseen un mayor control de amplificaci o´ n. Para disen˜ ar un amplificador de emisor com un ´ es aconsejable polarizar de modo que este, est´e en la regi´on activa para despu´es obtener su ganancia. - para polarizar lo se fija la tensi o´ n Vcc, la corriente Ic, es aconsejable que la tensio´ n Ve   sea igual a 1V, para que pueda compensar Vbe y que sea suficientemente baja para que permita un mayor rango de amplificaci o´ n en la salida del transistor y que la tensi´on Vc   sea aproximadamente la mitad

Figura 7.

Circuito amplificador colector com´u n con BJT [3].

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 III-E.

5

Amplificadores en cascada

Los amplificadores de cascada son configuraciones que utilizan m´as de un amplificador en acoplados, generalmente se utiliza un amplificador para generar la ganancia de tensi´on y u n o o m a´ s amplificadores para controlar la impedancia de salida. La ganancia general del circuito, se calcula como cascada entre amplificadores, de modo que la impedancia de entrada de un condensador es la carga del otro condensador. Entonces para calcular la ganancia general de la confirmatorio se debe tomar en cuenta la ganancia de los dos amplificadores, las impedancias de entrada y salida de los dos amplificadores, la carga y la impedancia de entrada de la se n˜ al

GV   = Av1 ∗ Av2 ∗

RL RL + Ro2

∗

Ri2 Ri2  + Ro1

∗

Figura 8.

En azul: se˜nal de entrada. En verde: Se˜n al de salida [4].

Por otro lado, tenemos las formas de onda en el laboratorio, expuestas en la figura 9.

Rsig Rsig  + Ro1

 III-F.

IV.

P ROCEDIMIENTO

´ Y  A N ALISIS DE

RESULTADOS

Para la siguiente pr´actica trabajaremos con las siguientes tres configuraciones de amplificadores para BJT. El transistor utilizado es el LM3086, asumiendo un β   = 100, y utilizando diferentes trucos de polarizaci o´ n mencionados a continuaci o´ n.

 IV-A.

Figura 9. Se˜nal peque˜na: se˜nal de entrada. Se˜nal m´as grande: se˜nal de salida VDIV: 500mV[5].

Amplificador emisor com´  un

El amplificador de emisor com´u n, como su nombre lo menciona, el emisor se encuentra a tierra, la entrada de la se˜n al es por la base, y la salida, teniendo en cuenta la carga es por el colector. esta configuraci´on suele utilizarse mucho para poder obtener factores de ganancia elevados solo con sencillos elementos electr o´ nicos. Para la polarizaci o´ n ´ que se respectiva utilizaremos el circuito de polarizaci on observa en la figura 6. Para esta polarizaci o´ n mostrada, se opt o´ por realizar una peque˜na modificacio´ n a la polarizaci o´ n en el nodo de emisor, agregando una resistencia en serie con el capacitor C E , para poder fijar la ganancia en t´erminos de esta. Para este circuito, se debe calcular los valores de tal manera que la ganancia entre la entrada de la se˜n al en el circuito y la salida sea aproximadamente 5V /V . Para recurrir a la polarizaci o´ n del circuito utilizaremos diferentes t e´ cnicas mencionadas en la clase magistral de la asignatura. Reemplazando los valores fijados y obtenidos en las ecuaciones mencionadas, tenemos que R1   = 100K Ω, R2  = 22K Ω,  R C  = 10K Ω,  R E  = 2K Ω y  R E  = 1,7K Ω.

Observamos que curiosamente, a diferencia de las pr a´ cticas anteriores con Mosfet, a la primera vez se obtuvo la amplificaci o´ n deseada, teniendo valores medidos de V in = 0,160V , V out  = 0,796V , iin  = 10mA,  i out  = 80mA Av = 4,98V /V , Ai  = 8mA/mA,  R in  = 5,41K Ω,  R out  = 50K Ω

 IV-B.

Amplificador colector com´  un

Para la segunda parte de la pr´a ctica tenemos la configuraci´o n mostrada en la figura 7. Cabe resaltar, que se realizaron dos polarizaciones, una no tan mala, y otra p´esima; la primera con una impedancia de entrada demasiado peque˜na, (se utiliz´o  R 1  = 200Ω y  R 2  = 270Ω), y la segunda no se tuvo en cuenta la ubicaci´on del punto de polarizaci´on, lo que permiti o´ que se tuviera una se nal ˜ de salida como se observa en la figura 12 a la hora de utilizar en circuito como amplificador en cascada. Nosotros justificaremos la primera polarizaci´o n, y sin entrar mucho a an´alisis, mostraremos la segunda polarizaci´on.



Realizando la respectiva simulaci o´ n se obtuvo la forma de onda que se que observa en la figura 8.

Para la primera polarizaci o´ n, tenemos que Rb1  = 270Ω , Rb2  = 200Ω, RC  = 1K Ω y RE  = 5K Ω   la forma de onda expuesta en la figura 10.

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Figura 10. Formas de onda alternadas obtenidas en el osciloscopio VDIV:200mV [5].

Para esta primera parte observamos que obtuvimos tanto la se˜nal de entrada como la se n˜ al de salida casi completamente iguales, por eso es que no se distingue bien en la figura 10 tanto la sen˜ al de entrada como la de salida (Talv e´ s observando de cerca un poco los picos de la se n˜ al se pueda notar un poco).

6

Figura 11. Formas de onda alternadas obtenidas en el osciloscopio para la segunda polarizaci´on propuesta VDIV:100mV [5].

Para el segundo circuito, se observa que la se n˜ al de salida se atenu´ a un poco respecto a la se n˜ al de entrada. Los datos obtenidos para este circuito son V in = 0,156V , V out = 0,137V , iin = 20mA, iout   = 250mA Av = 0,878V /V , Ai = 12,5mA/mA, Rin = 8,82K Ω, Rout = 0,971K Ω. Favorablemente esta resistencia de entrada no es tan peque n˜ a como el primero, lo que nos permite que se acople de manera adecuada al circuito.

 IV-C.

Amplificadores en cascada

Para esta u´ ltima parte del informe, se unir a´ n los dos circuitos estudiados para realizar un amplificador con acople para una carga grande  (500Ω). Al momento de conectar ambos circuitos se obtuvo la siguiente forma de onda

Observamos que el circuito se comporta de manera adecuada a lo que deber´ıa hacer, que es comportarse como un seguidor de se˜nal con una impedancia de salida muy peque˜na. Los datos obtenidos son V in = 0,093V , V out = 0,090V  Av = 0,978V /V , Rin = 5,41K Ω , Rout   = 20Ω   (en la bit´acora). Observamos con cuidado que la resistencia de entrada es demasiado peque˜na, lo que afectar´ıa dr´asticamente la ganancia del circuito de fuente com´un para la u´ ltima configuraci´on, que es en cascada, ya que este factor para el primer circuito, tiene una gran dependencia de la resistencia de salida, que es nada m´as que la resistencia de entrada del segundo circuito. Si observamos, al realizar la cascada con esta polarizaci´on se obtuvo efectivamente lo esperado.

Para poder reparar este error se opt´o por modificar las resistencias en la base del transistor de manera que al acoplar el circuito con el seguidor en cascada, no se cree un divisor que pueda afectar nuestra ganancia. Para la segunda polarizaci´on se obtuvo nuevos valores, que son R1 = 51K Ω , R2 = 10K Ω , RC  = 5,1K Ω, RE  = 1K Ω, V CC  = 10V . De la misma manera se trabaj o´ con las mismas capacitancias del primero. La forma de onda obtenida a la hora de simular es la observada en la figura 11.

Figura 12. Se˜nal de menor amplitud: Se˜n al de entrada ; Se˜n al de mayor amplitud: Se˜nal de salida VDIV:500mV[5].

Lamentablemente en esta parte nos dimos cuenta que nuestro punto de polarizaci o´ n para el circuito seguidor estaba mal calculado, lo que nos produc´ıa que al exceder los l´ımites de pequen˜ a se˜nal, un recorte en parte del ciclo negativo de la se˜nal. Con este circuito fue medido los diferentes par a´ metros, obteniendo V in = 0,158V , vout = 0,344V  y Av = 2,2V /V .

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Adem´as de que tenemos un problema con la regi o´ n de polarizaci´on, se nos suma otro con las ganancias, ya que tampoco nos est´a dando los  5v/v , debido a los divisores que se forman con las impedancias de entrada y salida de los circuitos. Para modificar este par a´ metro se opt o´ por forzar al circuito a polarizarse de manera correcta, aumentando el valor de V CC  = 21,8V , con esta nueva tensi´on de polarizaci´on tenemos la forma de onda que se observa en la figura 13.

Figura 13. Se˜n al de menor amplitud: Se˜nal de entrada ; Se˜n al de mayor amplitud: Se˜nal de salida VDIV:500mV[5].

Observamos que efectivamente, el punto de polarizaci o´ n fue modificado, provocando que la se n˜ al de salida se vea de mejor forma. Para esta nueva polarizaci o´ n obtuvimos V in = 0,158V , V out = 0,399V , Av = 2,53V /V , Rin = 14,44K Ω, Rout  = 10,38K Ω.

V.

C ONCLUSIONES

Teniendo en cuenta las experiencias anteriores con el dise˜no de amplificadores con dispositivos Mosfet, se resalta la facilidad con la que se trabaja al utilizar los BJT para la misma funci o´ n, ya que, como se mencionaba anteriormente estos responden mejor a la configuraci o´ n en amplificacio´ n. Se obtuvo una ganancia para el primer circuito de 4,98V /V , qu´e para m´etodos pr´acticos se puede asumir como  5V /V , muy cercano a lo que se dise n´ ˜ o, utilizando la polarizacio´ n con una resistencia en serie con el capacitor que se encuentra en el nodo del emisor. Para el circuito seguidor se resalta la importancia de utilizar los valores adecuados a la hora de dise n˜ ar el circuito, ya que adema´ s de tener en cuenta que se debe tener un punto de polarizaci o´ n adecuado, es importante tanto la resistencia de entrada y de salida, ya que estos son muy importantes a la hora de hacer acople de impedancias. Como se menciona en el numeral 2 de las conclusiones, es importante el punto de polarizaci o´ n, para as´ı evitar obtener formas de onda como la que se observa en la figura 12, con un recorte indeseado en la parte inferior debido a la tensi o´ n fijada en el emisor.

7

R EFERENCIAS [1] S EDRA, A . , S MITH , K.,   Circuitos microelectr ´  onicos, quinta edici´on en espanol, ˜ Mc Graw Hill, 2006. [2] O SAKO , A.,  ET AL .,  caracterizaci on ´  de transistores de uni on ´  bionica an´aloga,  polar BJT , informe pr´actica 9, laboratorio de electr´ Universidad Nacional de Colombia, 2015. [3] V ELANDIA, F., E T AL .,   El transistor de union ´  bipolar como amplificador de peque na ˜  senal, ˜  acoplador de impedancias y comparador , Gu´ıas de laboratorio, Universidad Nacional de colombia, 2015. [4] NATIONAL INSTRUMENTS, Multisim 12.0, Simulador de circuitos electr´onicos, 2012. [5] F OTOS, Fotos tomadas por nosotros.