Universidad Distrital Francisco José de Caldas Ingeniería Electrónica Electrónica II
Aplicación de Fuente de Corriente (Polarización - Carga Activa)
Jimmy Jaiber Tamayo Quiroga
20152005044
Yeison Gutierrez Molano
20151005121
Esteban Ricardo Higuera Villalba 20152005387
Profesor: JOSÉ HUGO CASTELLANOS
Bogotá, D.C. 2017
Informe de Práctica No. 1 Aplicación de Fuente de Corriente (Polarización - Carga Activa)
Resumen En el siguiente informe se compara las principales ventajas que se presenta al emplear fuentes de corriente, es decir, espejos de corrientes y/o cargas activas en la polarización de un transistor BJT en configuración de emisor común, además se estudia el comportamiento de la ganancia al emplear la teoría de las fuentes de corrientes. Se explican los conceptos claves y sus respectivas ecuaciones de diseño para la correcta comprensión de los resultados emitidos por los instrumentos de medición.
Objetivos -
Reconocer las ventajas que presenta el polarizar un transistor con espejos de corriente y cargas activas.
-
Identificar las mejoras en términos de ganancia, al emplear espejos de corriente y cargas activas.
-
Corroborar la importancia de emplear microcircuitos para el usos de los espejos de corriente y cargas activas.
Marco Teórico Con el propósito de brindar un salto en la miniaturización de los dispositivos electrónicos y la reducción del uso de materiales en la elaboración, se hace necesario desarrollar un método más eficiente para polarizar un transistor y que solucione algunos problemas que se presentaban al polarizar un transistor con elementos pasivos, problemas como, la variación en la ganancia de corriente (h F E ) de los transistores bipolares, las resistencias presentan
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una tolerancia no nula, todos los parámetros dependen de la temperatura, la tensión de alimentación no tiene un valor constante y puede variar, en general se presentan problemas de sensibilidad. Donde se determinó que esta sensibilidad marca la estabilidad del punto de operación, un estudio de los métodos de polarización puede demostrar que la red con degeneración de emisor/fuente es la más estable frente a los parámetros más importantes del transistor, además, cuanto mayor sea R E , más estable es el circuito, pero disminuye la ganancia del amplificador, también cuanto menor sea R B , más estable es el punto de operación, pero afecta la impedancia de entrada.
Espejos de corriente: Es una configuración con la que se pretende obtener una corriente constante, esto es, una fuente de corriente. Esta configuración consta de dos transistores, idealmente idénticos, y una resistencia.
Ilustración 1. Configuración de espejo de corriente simple.
La corriente que circula en R1 está dada por: I R1 = I C 1 + I B 1 + I B 2 ,
donde
I C
1
es
la
corriente del colector de Q1 , I B es la corriente de base de Q1 , I B es la corriente de base 1
2
de Q2 .
La corriente de colector de Q1 viene dada por la ecuación: I C = β 0 · I B 1
1
2
Fuente de corriente como carga activa: Una fuente de corriente además de actuar como circuito de polarización posee una impedancia interna de alto valor que puede ser utilizada como elemento de carga de amplificadores. Con ello se consigue obtener cargas de un alto valor resistivo con un área de ocupación muy inferior con respecto a las resistencias de difusión de ese mismo valor. Las resistencias de carga en este tipo de circuitos son elevadas lo que se traduce en una alta ganancia de tensión.
Ilustración 2. Configuración de carga activa simple.
Cálculo, Diseño y Procedimiento La siguiente práctica desarrolla la comparación en términos de la eficiencia entre los métodos de polarizar un transistor en zona activa, el proceso para el diseño de un amplificador, además de los efectos y cambios relacionados con la ganancia de voltaje. Se describe el proceso de diseño realizado para una de la configuraciones, empleando de forma directa las ecuaciones y anexando a lo último los procesos que se consideren necesarios y que requieren una explicación más detallada.
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Procedimiento 1. Montar el diseño de la red resistiva clásica de polarización para I CQ = 0, 4 mA , V CC = 6 V ,
V EE = − 6 V . Verificar voltajes y corriente I CQ . (Polarizar para
V CE ≈ V RC ≈ V RE en malla salida). se consigna los resultados en la tabla 1.
Se emplea el arreglo de transistores NPN CA3086 y el Transistor PNP 2N3906, por lo que se hace un análisis de sus especificaciones en el datasheet.
Método de Polarización Universal con resistencias.
Ilustración 3. Esquema del amplificador EC BJT con polarización resistiva.
De acuerdo a la Ilustración 3, se plantea las correspondientes ecuaciones de diseño, en el caso de la malla de salida se determina la distribución de los voltajes en cada elemento. Esto con el fin de obtener las siguientes relaciones. V CE = V RC = V RE ⇒ V CE =
6 V + 6 V 3
V CC + V EE 3
= 4 V
4
Teniendo en cuenta que por dicha malla de salida baja la misma corriente por las resistencias de colector y emisor obtenemos. R E = R C =
V RC I CQ
=
4 V 0,4 mA
= 10 K Ω (10 K Ω)
A continuación se halla el valor de R B , teniendo en cuenta la siguiente ecuación y la Ilustración 6 y 7 del apartado de anexos del h F E V S I E ≈ I C . R B =
h F E 10
·
(
V CC + V EE 3 · I CQ
)=
90 10
·
(
12 V 3 · 0,4 mA
) = 90 K Ω
Además, se halla el voltaje de V BB , teniendo en cuenta que dicho voltaje es igual a la suma del voltaje de la fuente V EE , el voltaje sobre la resistencia emisor, más el voltaje de la unión base emisor. V BB = − V EE + V RE + V BE = − 6 V + 4 V + 0, 7 V = − 1.3 V
Como se emplea una configuración por divisor de tensión, entonces se hallan las resistencias de base R1 y R2 por medio de las siguientes ecuaciones.
R1 =
R B · (V CC + V EE ) V BB + V EE
R · R
R2 = R B − R1 = 1
B
=
90 K Ω · (6 V + 6 V ) − 1.3 V + 6 V
90 K Ω · 229,787 K Ω 229,787 K Ω − 90 K Ω
≈ 229, 787 K Ω (220 K Ω)
≈ 147, 945 K Ω (150 K Ω)
2. Polarizar ahora el transistor utilizando fuente de corriente, para las mismas condiciones del paso anterior, medir y anotar en tabla, comparar resultados con los obtenidos en paso anterior.
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Método de Polarización con Espejo de Corriente
Ilustración 4. Esquema del amplificador EC BJT con espejo de corriente.
Teniendo en cuenta los valores de resistencia R1 , R2 y RC del diseño anterior, se procede a diseñar el espejo de corriente, teniendo en cuenta que la fuente V EE permite polarizar el los transistores, por lo que se emplea la siguiente ecuación. R Ref =
V EE − V BE I CQ
=
6 V − 0,7 V 0,4 mA
≈ 13, 25 K Ω (12 K Ω) .
3. Utilizar una carga activa, utilizando fuente de corriente, a cambio de RC (con transistores PNP con características similares a los del arreglo CA3086) para mismas condiciones paso 1 Medir y anotar en tabla. (Incluido Av y comparar con la del paso 1)
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Método de Polarización Con Espejo de Corriente y Carga Activa
Ilustración 5. Esquema del amplificador EC BJT con espejo de corriente y carga activa.
Para este último caso se emplea el mismo análisis que en el diseño del espejo de corriente, teniendo en cuenta que la fuente de alimentación
V CC permite la correspondiente
polarización, con lo que se obtiene el siguiente resultado. R Ref =
V CC − V BE I CQ
=
6 V − 0,7 V 0,4 mA
≈ 13, 25 K Ω (12 K Ω) .
Ganancia de voltaje con Polarización Universal con resistencias Para obtener el valor de la ganancia de voltaje determina el valor de h IE y seguido de ello se emplea la ecuación de ganancia de voltaje para un emisor común con degeneración y sin R L . h IE =
h F E · V T I C
=
90 · 26 mV 0,4 mA
≈ 5, 85 K Ω
AV =
h F E · RC h IE
=
90 · 10 K Ω 5,85 K Ω
≈ 153, 846
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Ganancia de voltaje con Espejo de Corriente y Carga Activa. La ganancia de voltaje, al contar con carga activa, este reemplaza el valor de RC con
1 hOE
del transistor de la carga activa, dicho valor de hOE , se encuentra en las gráficas de anexos Ilustración 8. h F E ·
AV =
1 hOE
h IE
=
90 · 100 K Ω 5,85 K Ω
≈ 1538, 462
Tablas y Análisis De acuerdo al desarrollo de la práctica se consigna los resultados en la siguientes tablas.
V RC
(V)
V CE
(V)
V R E
(V)
I C
( mA )
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
4
3,64
4
4,62
4
3,74
0,4
0,37
Tabla 1. Resultados Teóricos y Prácticos del amplificador EC BJT con polarización resistiva.
Porcentaje de Error ( % ) V RC
9
V CE
15,5
V R E
6,5
I C
7,5
Tabla 2. Porcentaje de error del amplificador EC BJT con polarización resistiva.
V RC
(V)
V CE
(V)
V R E
(V)
I C
( mA )
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
4
4,1
4
4,17
4
3,7
0,4
0,41
Tabla 3. Resultados Teóricos y Prácticos del amplificador EC BJT con espejo de corriente.
Porcentaje de Error ( % ) V R
C
V CE
2,5 4,25
8
V R E
7,5
I C
2,5
Tabla 4. Porcentaje de error del amplificador EC BJT con espejo de corriente.
V RC
(V)
V CE
(V)
(V)
V R E
I C
( mA )
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
Teórico
Práctica
4
3,79
4
4,35
4
3,54
0,4
0,412
Tabla 5. Resultados Teóricos y Prácticos del amplificador EC BJT con espejo de corriente y carga activa.
Porcentaje de Error ( % ) V RC
5,25
V CE
8,75
V R
11,5
I C
3
E
Tabla 6. Porcentaje de error del amplificador EC BJT con espejo de corriente y carga activa.
Vo ( V )
Vi ( mV )
Método No.1
1V
10 mV
Método No.3
2,4 V
2,5 mV
Tabla 7. Voltaje de entrada y salida de la comparación entre ganancias de voltaje del método No.1 y método No.2.
Av
Teórico
Práctica
Método No. 1
153,85
100
Método No. 3
1538,46
960
Tabla 8. Ganancia de la comparación entre ganancias de voltaje del método No.1 y método No.2.
Porcentaje de Error ( % ) 9
Método No. 1
35
Método No. 3
37,6
Tabla 9. Porcentaje de error de la comparación entre ganancias de voltaje del método No.1 y método No.2.
4. ¿Es práctico hacer que la diferencia de potencial se distribuya equitativamente entre los transistores de malla salida? Explique.
De acuerdo a la polarización con resistencias, se puede llegar a decir que no presenta dificultad lograr que la diferencia de potencial se distribuya equitativamente entre los transistores de malla salida, debido a que se cumple la ley de Voltajes de Kirchhoff a través del circuito, pero debido a que el valor de las resistencias calculadas no es el mismo al valor de las comerciales, el voltaje varía significativamente según los datos obtenidos. Para el caso donde se empieza a emplear el espejo de corriente y la carga activa se presenta cierta variaciones debido a que se espera que todo se encuentre en el mismo microcircuito para reducir la variaciones que se presentan con respecto a los h F E , por lo que el compensar dichas variaciones exige resistencias o elementos con mayor precisión, cabe resaltar que las tolerancias de los dispositivos, descritas anteriormente también influyen en estos dispositivos. Además se debe tener en cuenta que los espejos de corriente son fuente de corrientes cercanas a las ideas, por lo que su funcionamiento en DC permite visualizar una resistencia que varía de acuerdo al valor que se requiera en la polarización.
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Conclusiones -
A partir del uso de los espejos de corriente y la carga activa se puede evidenciar una mejora en términos de la polarización, donde al mantener constante la corriente I CQ permite garantizar un óptimo funcionamiento y una reducción en los porcentajes de error que se contrasta con las tablas 2 y 4 correspondiente al porcentaje de error de la polarización resistiva y el espejo de corriente.
-
Se evidencia un aumento considerable de la ganancia de voltaje casi de 10 veces de acuerdo a lo que se muestra en la tabla No. 8 que contrasta las ganancia entre la polarización resistiva y con carga con resultados de 100 y 960 respectivamente.
-
Si indagamos en la teórica de la polarización por medio de fuentes de corriente nos daremos cuenta que están tienen una alta impedancia aproximadamente de
1 hOE
que
de acuerdo al datasheet del dispositivo llega a ser grande, por lo que se ven grandes mejoras en sus ganancias como se evidencio en los diseños. -
Se presenta problemas con los espejos de corriente y cargas activas cuando se implementan de forma externa a un microcircuito por lo que se debe compensar los problema de los h F E de los transistores por medio de la resistencia R Ref variando considerablemente su
valor
hasta lograr
que la carga activa circule los
correspondientes 0, 4 mA . -
La tolerancia presente en los dispositivos permiten visualizar la no precisión en los resultados obtenidos, además que en la ganancia de voltaje no se obtengan resultados más precisos por lo que no se tiene en cuenta las capacitancias internas del generador y del osciloscopio.
-
El no tener presente el valor de los condensadores de acople y de desacople puede generar a tener las lecturas en las ganancias debido a que esta puede encontrarse en la región de bajas frecuencia y atenuar la señal de salida.
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Anexos Se presenta a continuación las gráficas empleadas en el diseño del amplificador CE BJT, extraídas de las hojas de especificaciones del fabricante para los dispositivos CA3086 y 2N3906.
Ilustración 6. h F E V S I E ≈ I C Obtenida del Datasheet del dispositivo CA3086.
Ilustración 7. Normalización h F E , h IE , h RE , hOE V S I C Obtenida del Datasheet del dispositivo CA3086.
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Ilustración 8. Admitancia de salida hOE V S I C Obtenida del Datasheet del dispositivo 2N3906.
Ilustración 9. Señal del Osciloscopio del amplificador EC BJT.
Referencias -
Circuitos Microelectrónicos 4ta Edición / Sedra & Smith
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Microelectronic Circuits Analysis and Design 2th Edition / Rashid
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Datasheet 2N3906 (http://www.onsemi.com/pub/Collateral/2N3906-D.PDF)
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) Datasheet CA3086 (http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~ee105/sp16/labs/CA3086_datasheet.pdf
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