146 TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR C B E R
FIG. 3.21 Configuración en colector común utilizada para igualar impedancias.
Una configuración de circuito en colector común aparece en la figura 3.21 con el resistor de carga conectado desde el emisor a tierra. Observe que el colector está unido a tierra aun cuando el transistor esté conectado del mismo modo que en la configuración en emisor común. Desde un punto de vista de diseño, no se requiere un conjunto de características en colector común para seleccionar los parámetros del circuito de la figura 3.21. Se puede diseñar utilizando las características en emisor común de la sección 3.6. En la práctica, las características de salida de la configuración en colector común son las mismas de la configuración en emisor común. Para la configuración en colector común las características de salida son una gráfica de IE contra VCE con un rango de valores de IB. La corriente de entrada es, por consiguiente, la misma tanto con las características en emisor común como en colector común. Por último, ocurre un cambio casi imperceptible en la escala vertical de IC de las características en emisor común si IC se reemplaza con IE para las características en colector común (puesto que a 1). Para el circuito de entrada de la configuración en colector común bastan las características básicas en emisor común para obtener la información requerida.
3.8
LÍMITES DE OPERACIÓN
●
Para cada transistor hay una región de operación en las características que garantizará que no se excedan las capacidades nominales máximas y que la señal de salida exhiba distorsión mínima. Dicha región se definió para las características del transistor de la figura 3.22. Todos los límites de operación se definen en una hoja de especificaciones del transistor descrita en la sección 3.9. Algunos de los límites de operación se explican por sí solos, como la corriente máxima del colector (normalmente aparece en la hoja de especificaciones como corriente continua en el colector) y el voltaje máximo del colector al emisor (a menudo abreviado VCEO o V(BR)CEO en la hoja de especificaciones). Para el transistor de la figura 3.22, ICmáx se especificó como 50 mA y VCEO como 20 V. La línea vertical en las características definida como VCEsat especifica el VCE mínimo que se puede aplicar sin caer en la región no lineal llamada región de saturación. El nivel de VCEsat está por lo común cerca de 0.3 V, especificado para este transistor. El nivel máximo de disipación lo define la siguiente ecuación:
(3.16)
PCmáx = VCE IC
máx
Región de saturación
máx
Región de corte
máx
FIG. 3.22 Definición de la región de operación lineal (sin distorsión) para un transistor.
Para el dispositivo de la figura 3.22, la disipación de potencia del colector se especificó como 300 mW. El problema es cómo graficar la curva de disipación de potencia del colector especificada por el hecho de que
o
PCmáx = VCE IC = 300 mW VCE IC = 300 mW
En cualquier punto sobre las características el producto de VCE e IC debe ser igual a 300 mW. Si decidimos que IC sea el valor máximo de 50 mA y sustituimos en la relación anterior obtenemos
VCE IC = 300 mW
VCE150 mA2 = 300 mW VCE =
300 mW = 6V 50 mA
Por consiguiente vemos que si IC 50 mA, entonces VCE 6 V en la curva de disipación de potencia como se indica en la figura 3.22. Si ahora decidimos que VCE tenga su valor máximo de 20 V, el nivel de IC es el siguiente:
120 V2IC = 300 mW IC =
300 mW = 15 mA 20 V
el cual es un segundo punto en la curva de potencia. Si ahora seleccionamos un nivel de IC en el intervalo medio como 25 mA y resolvemos para el nivel resultante de VCE obtenemos
VCE125 mA2 = 300 mW y
VCE =
300 mW = 12 V 25 mA
como también se indica en la figura 3.22. En general se puede trazar un estimado preliminar de la curva real con los tres puntos antes definidos. Desde luego, cuantos más puntos haya más precisa es la curva, aunque todo lo que se requiere suele ser un estimado preliminar. La región de corte se define como aquella que está debajo de IC ICEO, y la cual también hay que evitar para que la señal de salida tenga una distorsión mínima. En algunas hojas de especificaciones sólo se da ICBO. Entonces hay que utilizar la ecuación ICEO bICBO para tener una idea del nivel de corte si las curvas de las características no están disponibles. La operación en la región resultante de la figura 3.22 garantizará una distorsión mínima de los niveles de la señal, corriente y voltaje de salida que no dañarán el dispositivo. Si las curvas de características no están disponibles o no aparecen en la hoja de especificaciones (como sucede a veces), basta con asegurarse de que IC, VCE y su producto VCEIC queden comprendidos en el intervalo siguiente:
ICEO F IC F ICmáx VCEsat F VCE F VCEmáx VCE IC F PCmáx
(3.17)
Para las características de base común el siguiente producto de cantidades de salida define la curva de potencia máxima:
(3.18)
PCmáx = VCB IC
3.9
HOJAS DE ESPECIFICACIONES DEL TRANSITOR
●
Como la hoja de especificaciones es el vínculo de comunicación entre el fabricante y el usuario, es de particular importancia que la información provista se reconozca e interprete correctamente. Aun cuando no se incluyeron todos los parámetros, un gran número de ellos son conocidos.
HOJAS DE 147 ESPECIFICACIONES DEL TRANSITOR
148 TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR
Los restantes se introducirán en los capítulos siguientes. Se hará referencia entonces a esta hoja de especificaciones para repasar la forma en que se presenta el parámetro. La información proporcionada como figura 3.23 se tomó directamente de la publicación Small-Signal Transistors, FETs, and Diodes preparada por Motorola Inc. El 2N4123 es un transistor de propósito general con el encapsulado e identificación de las terminales que aparecen en la esquina superior derecha de la figura 3.23a. La mayoría de las hojas de especificaciones se dividen en valores nominales máximos, características térmicas y características eléctricas. Las características eléctricas se dividen a su vez en características de “encendido”,
VALORES NOMINALES MÁXIMOS Símbolo
2N4123
Unidad
Voltaje de colector a emisor
Valor nominal
VCEO
30
Vcd
Voltaje de colector a base
VCBO
40
Vcd
Voltaje de colector a base
VEBO
5.0
Vcd
Corriente del colector - Continua
IC
200
mAcd
Disipación total del dispositivo @ TA = 25°C
PD
625
mW
Tj,Tstg
5.0 –55 a +150
mW˚C ˚C
Se reduce a más de 25°C Intervalo de temperatura en la unión de
2N4123 CÁPSULA 29-04 ESTILO 1 TO-92 (TO-226AA) 3 Colector
2 Base
operación y almacenamiento 1 23
1 Emisor
CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS Característica
Símbolo
Máx.
Unidad
Resistencia térmica, unión para cápsula
RuJC
83.3
˚C W
TRANSISTOR DE PROPÓSITO GENERAL
Resistencia térmica, unión para medio ambiente
RuJA
200
˚C W
NPN DE SILICIO
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS (T = 25°C a menos que se especifique lo contrario) Característica
Símbolo
Mín.
V(BR)CEO
30
Vcd
Voltaje de ruptura de colector a base (IC = 10 µAcd, IE = 0)
V(BR)CBO
40
Vcd
Voltaje de ruptura de emisor a base (IE = 10 µAcd, IC = 0)
V(BR)EBO
5.0
–
Vcd
Corriente de corte en el colector (VCB = 20 Vcd, IE = 0)
ICBO
–
50
nAcd
Corriente de corte en el emisor (VBE = 3.0 Vcd, IC = 0)
IEBO
–
50
nAcd
hFE
50 25
150 –
–
Voltaje de saturación de colector a emisor (1) (IC = 50 mAcd, IB = 5.0 mAcd)
VCE(sat)
–
0.3
Vcd
Voltaje de saturación de base a emisor (1) (IC = 50 mAcd, IB = 5.0 mAcd)
VBE(sat)
–
0.95
Vcd
fT
250
Capacitancia de salida (VCB = 5.0 Vcd, IE = 0, f = 100 MHz)
Cobo
–
4.0
pF
Capacitancia de entrada (VBE = 0.5 Vcd, IC = 0, f = 100 kHz)
Cibo
–
8.0
pF
Capacitancia de colector a base (IE = 0, VCB = 5.0 V, f = 100 kHz)
Ccb
–
4.0
pF
Ganancia de corriente de señal pequeña (IC = 2.0 mAcd, VCE = 10 Vcd, f = 1.0 kHz)
hfe
50
200
–
hfe
2.5 50
– 200
–
NF
–
6.0
dB
CARACTERÍSTICAS APAGADO Voltaje de ruptura de colector a emisor (1) (IC = 1.0 mAcd, IE = 0)
CARACTERÍSTICAS ENCENDIDO Ganancia de corriente de CD(1) (IC = 2.0 mAcd, VCE = 1.0 Vcd) (IC = 50 mAcd, VCE = 1.0 Vcd)
CARACTERÍSTICAS DE SEÑAL PEQUEÑA Ganancia de corriente-Producto de ancho de banda (IC = 10 mAcd, VCE = 20 Vcd, f = 100 MHz)
Ganancia de corriente - Alta frecuencia (IC = 10 mAcd, VCE = 20 Vcd, f = 100 MHz) (IC = 2.0 mAcd, VCE = 10 V, f = 1.0 kHz) Figura de ruido (IC = 100 µAdc, VCE = 5.0 Vdc, RS = 1.0 k ohm, f = 1.0 kHz) (1) Prueba de pulsos: ancho de pulso 300 ms. Ciclo de trabajo pesado = 2.0%
(a)
FIG. 3.23 Hoja de especificaciones del transistor.
Máx.
Unidad
MHz
Figura 1 - Capacitancia
Figura 2 - Tiempo de conmutación
10
200 ts 100
5.0
C ibo
3.0 Cobo
2.0
1.0 0.1
70 50
Tiempo (ns)
Capacitancia (pF)
7.0
td tr
30 20
tf
VCC = 3 V 10.0 IC / IB = 10 7.0 VEB (apagado) = 0.5 V 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 3.0 5.0 7.0 10 Voltaje de polarización en inversa (V)
5.0 1.0
20 30 40
2.0 3.0
5.0
10
20 30
50
100
200
IC, Corriente del colector (mA)
(b)
(c)
CARACTERÍSTICAS DE SEÑAL PEQUEÑA DE AUDIO FIGURA DE RUIDO (VCE = 5 Vcd, TA = 25°C) Ancho de banda = 1.0 Hz Figura 3 - Variaciones de la frecuencia
Figura 4 - Resistencia de fuente 14
12
f = 1 kHz Resistencia de fuente = 200 Ω IC = 1 mA MF, Figura de ruido (dB)
12
Resistencia de fuente= 200 Ω IC = 0.5 mA
8
Resistencia de fuente = 1 k Ω IC = 50 µ A
6 4
0 0.1
0.2
0.4
1
IC = 1 mA
10 8
IC = 0.5 mA IC = 50 µA
6 4
IC = 100 µA
2
Resistencia de fuente = 500 Ω IC = 100 µA 2 4 10 f, Frecuencia (kHz)
20
40
0 0.1
100
0.2
0.4
1.0
2.0
4.0
10
20
40
100
RS , Resistencia de la fuente (kΩ)
(d)
(e)
PARÁMETROS h VCE = 10 V, f = 1 kHz, TA = 25°C Figura 5 - Ganancia de corriente
Figura 6 - Admitancia de salida
300
100
hoe Admitancia de salida (μ mhos)
2
hfe Ganancia de corriente
MF, Figura de ruido (dB)
10
200
100 70 50 30 0.1
0.2
0.5 1.0 2.0 5.0 I C , Corriente del colector (mA)
10
50 20 10 5.0 2.0 1.0 0.1
(f)
0.2
0.5 1.0 2.0 5.0 I C , Corriente del colector (mA)
10
(g)
FIG. 3.23 Continuación
149
Figura 8 – Relación de alimentación de voltaje 10
10
7.0
h re Relación de alimentación de voltaje (× 10−4 )
hie Impedancia de entrada (k Ω)
Figura 7 – Impedancia de entrada 20
5.0 2.0 1.0 0.5 0.2 0.1
0.2
0.5 1.0 2.0 5.0 I C , Corriente del colector (mA)
h FE Ganancia de corriente CD (normalizada)
(h)
10
5.0 3.0 2.0
1.0 0.7 0.5 0.1
0.2
0.5 1.0 2.0 5.0 I C , corriente del colector (mA)
10
(i)
CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Figura 9 – Ganancia de corriente CD
2.0
VCE = 1 V
TJ = +125° C +25° C
1.0 0.7
–55° C
0.5 0.3 0.2 0.1 0.1
0.2 0.3
0.5 0.7 1.0
2.0 3.0 5.0 7.0 10 I C, Corriente del colector (mA)
20
30
50
70 100
200
(j)
FIG. 3.23 Continuación
“apagado” y de señal pequeña. Las características “encendido” y “apagado” se refieren a límites de cd, en tanto que las de señal pequeña incluyen los parámetros de importancia para la operación de ca. Observe que en la lista de valores nominales máximos VCEmáx = VCEO = 30 V con ICmáx = 200 mA. La disipación máxima del colector PCmáx = PD = 625 mW. El factor de reducción de capacidad bajo la capacidad nominal máxima especifica que la capacidad nominal máxima debe reducirse 5 mW por cada 1° de aumento de la temperatura arriba de 25°. En las características “apagado” ICBO se especifica como 50 nA y en las características “encendido” VCEsat = 0.3 V. El nivel de hFE tiene un intervalo de 50 a 150 en IC 2 mA y VCE 1 V y un valor mínimo de 25 a con una corriente alta de 50 mA al mismo voltaje. Los límites de operación ya se definieron para el dispositivo y se repiten a continuación en el formato de la ecuación (3.17) con hFE 150 (el límite superior) e ICEO bICBO = (150) (50 nA) = 7.5 mA. Por cierto, en muchas aplicaciones el valor de 75 mA 0.0075 mA se puede considerar que aproximadamente de 0 mA. Límites de operación
7.5 mA F IC F 200 mA 0.3 V F VCE F 30 V VCE IC F 650 mW
150
En las características de señal pequeña el nivel de hfe (bca) aparece junto con una gráfica de cómo varía con la corriente del colector en la figura 3.23f. En la figura 3.23j se muestra el efecto de la temperatura y de la corriente del colector en el nivel hFE (bca). A temperatura ambiente (25°C) observe que hFE(bcd) es un valor máximo de 1 cercano al valor de 8 mA. A medida que IC se incrementa más allá de este nivel, hFE se reduce a la mitad del valor con IC igual a 50 mA.
También baja a este nivel si IC se reduce al bajo nivel de 0.15 mA. Como ésta es una curva normalizada, si tenemos un transistor con bcd hFE 50 a temperatura ambiente, el valor máximo a 8 mA es 50. En IC 50 mA se ha reducido a 502 25. En otras palabras, la normalización revela que el nivel real de hFE a cualquier nivel de IC se dividió entre el valor máximo de hFE a esa temperatura e IC 8 mA. Observe también que la escala horizontal de la figura 3.23j es una escala logarítmica (en el capítulo 9 analizaremos a fondo las escalas logarítmicas). Quizá desee regresar a las gráficas de esta sección cuando revise las secciones iniciales del capítulo 9. Antes de concluir esta descripción de las características, observe que no se dan las características reales del colector. En realidad, la mayoría de las hojas de especificaciones de los fabricantes no contienen las características completas. Se espera que los datos proporcionados basten para utilizar el dispositivo de forma efectiva en el proceso de diseño. Como se señaló en la introducción a está sección, todos los parámetros de la hoja de especificaciones no se definieron en las secciones o capítulos anteriores. Sin embargo, en los capítulos siguientes se hará continuamente referencia a dicha hoja de la figura 3.23 conforme se vayan introduciendo los parámetros. La hoja de especificaciones puede ser una herramienta muy valiosa en el diseño o modo de análisis y vale la pena reconocer la importancia de cada parámetro y de cómo puede variar con los niveles variables de corriente, temperatura, etcétera.
3.10
PRUEBA DE UN TRANSISTOR
●
Del mismo modo que con los diodos, hay tres rutas que podemos seguir para verificar un transistor: podemos usar un trazador de curvas, un medidor digital, o bien un ohmmetro
Trazador de curvas El trazador de curvas de la figura 1.50 despliega la respuesta en la figura 3.24 una vez que se han ajustado correctamente todos los controles. Las pantallas pequeñas a la derecha muestran la escala que se va a aplicar a las características. La sensibilidad vertical es de 2 mAdiv, lo que produce la escala de abajo a la izquierda de la pantalla del monitor. La sensibilidad horizontal es de 1 Vdiv y produce la escala que aparece debajo de las características. La función escalón indica que la separación entre las curvas es de 10 mA comenzando con 0 mA para la curva inferior. Puede utilizar el último factor de escala para determinar de inmediato la bca en cualquier región de las características. Multiplique el factor mostrado por el número de divisiones entre las curvas IB en la región de interés. Por ejemplo, determinemos bca en un punto Q de IC 7 mA
20 mA Vertical por división 2 mA
18 mA 80 µA 16 mA 70 µA 14 mA
Horizontal por división 1V
60 µA 12 mA 50 µA 10 mA 40 µA
Por escalón 10 µ A
8 mA 30 µA 6 mA 20 µA 4 mA
gm por división 200
10 µA 2 mA 0 µA
0 mA 0V
1V
2V
3V
4V
5V
6V
7V
8V
9V
10 V
FIG. 3.24 Respuesta de un trazador de curvas para un transistor 2N3904.
PRUEBA DE UN TRANSISTOR
151