Practica No. 6 Preamplificadores Tarea de casa 1. Investigue la acción y funcionamiento de los transistores bipolares de juntura. El Transistor de Juntura Bipolar (BJT) es un dispositivo activo de tres terminales, Base, Colector y Emisor, cuya corriente se debe a la combinacion de portadores. El dispositivo es basicamente una fuente de corriente controlada por corriente. Para su funcionamiento requiere un circuito de polarizaciÛn externo. Tiene tres zonas de trabajo, activa, corte y saturación.
Sea el BJT npn de la Fig. 1a, Éste considera una región n de volumen intermedio de alto dopa miento (gran cantidad de ), una región p muy delgada de pequeño volumen de bajo dopa miento (poca cantidad ), y una región n de gran volumen de dopa miento intermedio. Para establecer su funcionamiento primero se polariza solo la juntura BE, dejando el colector abierto. La juntura esta polarizada directa, luego se produce un flujo de
desde el emisor a la base, pero también fluirán base al emisor.
en menor cantidad desde la
La corriente IE se produce por la suma de los e mayoritarios y mayoritarios inyectados por el emisor y la base respectivamente. La corriente entre la base y el emisor será IE. Dado que la base es muy delgada, delgada, no soporta grandes corrientes. Polarizando solamente la juntura CB, dejando el emisor abierto, la juntura pn esta polarizada inversa, luego solo existe movimiento de portadores minoritarios del colector y los minoritarios de la base, produciendo una corriente inversa de saturación llamada ICBO, entre C y B. Al polarizar de acuerdo a la Fig. 3a, los e mayoritarios inyectados por el emisor atraviesan la base llegando al colector, un pequeño porcentaje se recombina en la base con los mayoritarios aportados por Ésta. Así, la corriente por el emisor debido a los mayoritarios será InE, pero la corriente en el colector debido a estos portadores será αInE, donde α es un número menor que 1, dado que parte
de los se recombinan en la base. Así, la corriente del emisor IE, será función de la corriente producida por los portadores mayoritarios e y la corriente debida a los portadores mayoritarios inyectados por la base.
La corriente que se desvía a la base será (1 – α )InE = InR, luego la corriente en la base será la corriente de los portadores mayoritarios de la base más la corriente InR menos la corriente ICBO como se muestra en la Fig. 3b.
Finalmente, la corriente por el colector IC será la proveniente del emisor más la corriente de saturación inversa ICBO.
Considerando despreciable el efecto de ICBO, se tiene
2. Investigue la acción y funcionamiento de los transistores de efecto de campo. Los transistores de efecto de campo se denominan así porque durante su funcionamiento la señal de entrada crea un campo eléctrico que controla el paso de la corriente a través del dispositivo. Estos transistores también se denominan unipolares para distinguirlos de los transistores bipolares de unión y para destacar el hecho de que solo un tipo de portadores interviene en su funcionamiento. En comparación con los transistores bipolares, los FET presentan una impedancia de entrada muy elevada y además consumen muy poca potencia, por lo que su uso se ha extendido sobre todo en los circuitos integrados. También se encuentran en circuitos de alta frecuencia (microondas), especialmente los MESFET de arseniuro de galio, los cuales tienen un tiempo de respuesta muy rápido debido a la alta movilidad de los electrones en este material.
Los diferentes tipos de transistores que existen pueden agruparse en dos grandes grupos o familias: a) Transistores bipolares y b) Transistores unipolares. Los transistores bipolares (Bipolar Junction Transistor), reciben la denominación bipolar debido a que basan su funcionamiento en dos tipos de portadores de carga: electrones (-) y huecos (o lagunas) cuya carga es (+), mientras que los transistores unipolares (Unipolar Junction Transistor) se denominan así porque para su funcionamiento utilizan un sólo tipo de portadores de carga: electrones o huecos (o lagunas). Un tipo de transistor perteneciente al grupo de los unipolares, es el denominado “transistor de efe cto de campo” (Field Efecto Transistor). Dicho transistor, es particularmente
adecuado para ser utilizado en circuitos integrados debido a su reducido tamaño. El término “efecto de campo “se debe, a que el control de la corriente
a través de dicho transistor, se ejerce (como veremos al analizar su funcionamiento) mediante un campo eléctrico exterior, por lo que el control de los mismos es por tensión y no por corriente como ocurre en los transistores bipolares.
Constructivamente, el JFET, sólo tiene una unión P-N en vez de dos, como ocurre con el BJT. Al comparar al JFET con el BJT se aprecia que el drenado o drenaje (D) es análogo al colector, en tanto que la fuente o surtidor (S) es análoga al emisor, por último la puerta o compuerta (G), es análoga a la base. La fuente y el drenaje de un JFET se pueden intercambiar sin afectar el funcionamiento del mismo. El análisis del funcionamiento de este tipo de transistores, lo haremos a partir un JFET de canal N, sin embargo el funcionamiento de un JFET de canal P puede hacerse siguiendo la misma metodología. Su principio de funcionamiento se basa fundamentalmente en los efectos producidos por la región agotada que se crea en las proximidades de toda unión P -N cuando esta se polariza inversamente. Supongamos en primera instancia que aplicamos una diferencia de potencial V GS entre G y Haciendo VDS.= 0; como se observa en la figura 3a. La unión P-N queda polarizada en forma inversa, originándose una circulación de una corriente de fuga (IG) despreciable. Mientras la diferencia de potencial aplicada VG Sea pequeña, las regiones agotadas serán de pequeño espesor, luego y a medida que esta tensión aumenta, también aumenta el espesor de dichas regiones. Este proceso continúa así hasta que se produce la unión de ambas regiones; se dice
entonces que el canal se ha “cortado o estrangulado”. Esto ocurre para un valor de VGS determinado que se denomina “tensión de estrangulamiento”, en inglés tensión “pinch off”, y que la simbolizaremos V (P)GS. A continuación, hac emos
VGS= 0 y aplicamos una VDS. entre D y S como se ve en la figura 3b. Se produce entonces la circulación de una corriente I Da través del canal, que depende de la VDS. aplicada, de la resistencia intrínseca del canal y de su geometría. La unión P-N también se polariza en forma inversa, pero ahora las regiones agotadas presentan la forma de cuña debido a que en su parte superior la unión está más inversamente polarizada que en la parte inferior, debido a que allí el gradiente del potencial es mayor, es decir la tensión va cayendo a lo largo del canal en forma progresiva (debido a la resistencia propia del canal). A medida que VDS. aumenta, las regiones agotadas se hacen cada vez más grandes, haciendo que las junturas tiendan a tocarse cerca del D. Esto hace que el canal se vaya estrechando, restringiendo así el paso de portadores (en este caso electrones pues se trata de un JFET de canal N).
3. Investigue la configuración y operación de algunos circuitos integrados, por ejemplo LM741, LM324, LM311 Configuraciones y operación lm741: Comparador
Artículo principal: Comparador .
Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.
Seguidor
Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.
Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: V out = Vin Zin = ∞
Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones. Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es R e (entrada del amplificador), la resistencia de la línea de cableado es R l y la resistencia interna del sensor es R g, entonces la relación entre la tensión medida por el voltímetro
(V e) y la tensión generada por el sensor ( V g) será la correspondiente a este divisor de tensión:
Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída de tensión en el sensor y el cableado. Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por efecto Joule, lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida. No inversor
Como observamos, la tensión de entrada, se aplica al pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo y positivo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.
Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.
Sumador inversor
La salida está invertida Para resistencias independientes R 1, R2,... Rn o
La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Z n = Rn
Restador Inversor
Para resistencias independientes R 1,R2,R3,R4: o
Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales La impedancia diferencial entre dos entradas es Z in = R 1 + R 2 + Rin, donde Rin representa la resistencia de entrada diferencial del amplificador, ignorando las resistencias de entrada del amplificador de modo común. Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación.
Integrador ideal
Integra e invierte la señal (V in y Vout son funciones dependientes del tiempo)
o
Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos
Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el condensador hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador. Derivador ideal
Deriva e invierte la señal respecto al tiempo Este circuito también se usa como filtro
NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.
Conversor de corriente a voltaje
El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como Amplificador de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que está diseñado para trabajar con una fuente de corriente. Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante entre la corriente de entrada y el voltaje de salida es:
Su aplicación es en sensores, los cuales no pueden ser activados, con la poca corriente que sale de algún sensor, por lo que se acopla un A. O. que usa es poca corriente entregada, para dar salida a un voltaje (Vout) Función exponencial y logarítmica El logaritmo y su función inversa, la función exponencial, son ejemplos también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la función exponencial a la señal de entrada.
La señal de entrada, desarrollará una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el diodo en aproximación. Ello, en conjunto con la resistencia de salida R,
la dependencia de la tensión de salida (Vout) como producto de la tensión de entrada (Vin) es:
Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de los parámetros de la ecuación del diodo. Para lograr la potenciación, simplemente se necesita cambiar la posición del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación, esta ecuación también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tensión de salida con relación a la de entrada:
En la práctica, la realización de estas funciones en un circuito son más complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usan transistores bipolares, para minimizar cualquier efecto no deseado, como es, sobre todo, la temperatura donde se trabaja. No obstante queda claro que el principio de funcionamiento de la configuración queda inalterado. En la realización de estos circuitos también podrían hacerse conexiones múltiples, por ejemplo, en el amplificador anti logarítmico las multiplicaciones son adiciones, mientras que en el logarítmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir de ello, por ejemplo, se podrían realizar la combinación de dos amplificadores logarítmicos, seguidos de un sumador, y a la salida, un anti logarítmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador analógico, en el cual la salida es el producto de las dos tensiones de entrada.
Convertidor Digital-Analógico (R-2R)
Cualquiera de las entradas ve una Si entonces
Si
entonces
Otros
Osciladores, como el puente de Wien Convertidores carga-tensión Filtros activos Girador permite construir convertidores de inmitancias (simular un inductor empleando un condensador, por ejemplo).
Amplificador operacional cuádruple de baja potencia LM324: El LM324 está compuesto por cuatro amplificadores operacionales de alta ganancia, diseñados para trabajar con fuente de alimentación simple. Sin embargo, también son capaces de funcionar con una fuente de alimentación doble.
Se puede utilizar para aplicaciones tales como: Bloques de ganancia DC, amplificadores y en cualquier circuito típico con amplificadores operacionales. Los cuales ahora son más sencillos de implementar utilizando alimentación simple. Por ejemplo, el LM324 puede funcionar directamente a la tensión de 5V, tensión utilizada habitualmente en electrónica digital, sin necesidad de implementar otra fuente de alimentación doble de +/- 15Vdc. Características especiales
Trabajando en la zona lineal, el rango de tensión de entrada en modo común incluye masa. Y la tensión de salida también puede aproximarse a masa, incluso cuando se trabaja con alimentación simple. La ganancia de frecuencia unitaria está compensada con la temperatura. La intensidad de polarización de entrada (Input bias current) está también compensada con la temperatura
Ventajas
Se elimina la necesidad de fuentes de alimentación dobles. Cuatro amplificadores operacionales en un solo componente. Permite entradas cercanas a GND (masa) y la tensión de salida también llega GND. Bajo consumo de energía, apropiado para funcionar a baterías.
Características
Internamente compensado en frecuencia para ganancia unidad Alta ganancia en DC (100 dB) Gran ancho de banda (ganancia unidad) 1MHz (compensada con la temperatura) Alto rango de alimentación: Alimentación simple: entre 3V y 32V Alimentación doble: entre +/- 1,5V y +/- 16V Consumo de corriente muy bajo (700 µA) independiente de la alimentación Muy baja corriente de polarización de entrada (45 nA) (compensado con la temperatura) Bajo offset de voltaje de entrada (2mV) y offset de corriente (5 nA) El rango de voltaje de entrada en modo común incluye masa. El rango de voltaje diferencial en la entrada es igual al voltaje de alimentación. Excursión máxima del voltaje de salida: desde 0V hasta V+ - 1,5V o o
Diagrama de conexión
Circuito integrado LM311: Es un comparador estándar muy versátil que pueden manejar bombillas eléctricas o relevos, voltajes de conmutación hasta 50 V. Descripción Los comparadores de voltaje que tienen entrada las corrientes cronometradas casi mil baje que los dispositivos el rango de voltajes de aprovisionamiento el voltaje de operación aproximado es de ± 15 V, pueden funcionar hasta los sencillos 5V, por su salida puede ser sustituido por los de los tipos RTL, DTL y lógica transistortransistor así como circuitos de semiconductor de óxido metálico, pueden manejar bombillas eléctricas o relevos, voltajes de conmutación hasta 50V. Ambas entradas y las salidas de los LM111, LM211 o el LM311 puede aislarse de tierra de sistema, el aprovisionamiento positivo o el aprovisionamiento Equilibrio de compensación y capacidad de estroboscopio son suministrados y salidas pueden ser alambre OR'ed. Aunque más lento que los LM106 y LM710 (200 tiempo de respuesta de ns el 40 ns en forma de v) los dispositivos son también mucho menos inclinados a oscilaciones. El LM211 tiene las mismas características de configuración que el EL 111 exceptuando que el rango de temperatura del primero es de -25°C + 85°C y el segundo es de -25 °C + 125°C.
El LM111 tiene las mismas características de configuración que los LM106 y LM710, oscilando en un rango de temperatura de 0°C a +70°C.
Características eléctricas
Tiene un rango de temperatura de 0°C a +70°C. Opera con 5V. Corriente de entrada: 150 nA max. sobre temperatura. Corriente de compensación: 20 nA max. sobre temperatura. Rango de tensión de entrada diferencial: ±30V. Consumo de poder: 135 MW a ±15V Imáx= 50mA pueden excitar directamente un relé. Requiere resistencia de pull-up. Salida en colector abierto para poder ajustar la tensión de salida. Puede atacar cargas conectadas a GND, VCC+ o VCC –.
4. En los preamplificadores de las siguientes figuras investigue como será el voltaje de salida al aplicar un voltaje de entrada senoidal de amplitud unitaria, en forma y amplitud si es posible.
AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO LNA, DETECTOR DE ANTENA PARABOLICA V1 12 V
R2
R1
15kΩ
2.2MΩ
Q1
Q3
2N718A
C1 33µF
Ext Trig +
2N2608
R3
_
20MΩ
V3 1 Vpk 1kHz 0°
XSC1
C2
+
-0.015m
V
U2 DC 10MOhm
B
A +
_
+
_
100µF R5
-
1.2MΩ
R4 33kΩ
+
-0.076 -
V
U1 DC 10MOhm
FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE DE SALIDA Amplificador para fonocaptor
AMPLIFICADOR PARA FONOCAPTOR FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE DE SALIDA
5. Arme los circuitos.
6. Arme los circuitos.
V1
XSC1
12 V R2
_
R4
56kΩ
100Ω
33µF
Q1
+
C2 10µF
Q2
2N3392
2N3391A
R1 82Ω
V2 1 Vpk 1kHz 0°
R3 47Ω
R6 330kΩ
R5 1kΩ
B
A
10kΩ
R8
C3
Ext Trig +
C1 100µF
_
+
_
5. Arme los circuitos AMPLIFICADOR PARA FONOCAPTOR
AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO LNA, DETECTOR DE ANTENA PARABÓLICA
V1 12 V
R2
R1
15kΩ
2.2MΩ
Q1
Q3
2N718A
C1 33µF
2N2608
R3 20MΩ
C2
+
0.120m
V
U2 DC 10MOhm
100µF R5
-
1.2MΩ
R4 33kΩ
+
-1.271u -
V
U1 DC 10MOhm
