Experimento 4: Curvas características de componentes de tres terminales (transistores)

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1 Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela de Ingeniería Electrónica Profesores: Ing. Sergio Morales, Ing. Pablo Alvarado, Ing. Eduardo Interiano Laboratorio de Elementos Activos II Semestre 2006 I Experimento 4: Curvas características de componentes de tres terminales (transistores) Objectivo General Al finalizar el experimento y su análisis, el estudiante estará en capacidad de obtener las curvas características de salida de transistores bipolares (BJT), transistores de efecto de campo de unión (JFET o FET) y transistores FET de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) y sus parámetros más importantes II Objetivos Específicos Al terminar el laboratorio y su análisis, el estudiante estará en capacidad de III 1. Obtener las curvas características de componentes de 3 terminales. 2. Obtener las curvas características de los transistores BJT y JFET. 3. Obtener las curvas características de MOSFET de enriquecimiento canal N y P. 4. Explicar el funcionamiento de los transistores BJT, FET y MOSFET. 5. Determinar los parámetros más importantes de los transistores BJT, FET y MOSFET a partir de sus curvas características en emisor o surtidor común respectivamente. 6. Representar transistores BJT, FET y MOSFET mediante modelos de CD y CA adecuados para el análisis de circuitos. Cuestionario Previo 1. Qué función cumple la resistencia R M en el circuito de la figura 1? Qué representa la tensión U RM? 2. Cuál es la sensibilidad de corriente equivalente del canal vertical (Y) del trazador de curvas en el modo SIGNAL? 3. Qué función desempeña el diodo D 1 en el circuito de la figura 1? 4. En cuál cuadrante del ORC aparecerán las curvas características de salida (colectoremisor) según el circuito de medición de la figura 1? 5. Investigue y dibuje en su cuaderno de laboratorio la forma esperada de las curvas características de salida de los transistores a usar en el experimento. 1

2 6. Qué significan los términos emisor común, colector común, base común en el contexto de los circuitos con transistores bipolares, y los términos surtidor común, drenador común y puerta común en el contexto de los transistores FET (o MOSFET)? 7. Cuáles son los parámetros importantes de la característica de salida (colector-emisor) de un transistor en emisor común? 8. Obtenga de las hojas de datos de los transistores a usar, la distribución de patillas. 9. Investigue el funcionamiento de los transistores BJT, FET y MOSFET. En qué se diferencian los transistores BJT, los MOSFET y los JFET? 10. Qué tipos de transistores FET existen? Investigue la forma de las curvas características típicas para ellos. Qué curvas espera observar usted en este laboratorio? 11. Cómo se puede medir la resistencia dinámica y la resistencia estática del diodo baseemisor? 12. Investigue qué son los parámetros I DSS, tensión de estrechamiento U TR = U P = U GS(OFF), tensión de ruptura BU GSS, transconductancia del dispositivo g m = g fs y resistencia de drenaje-fuente r DS(ON). 13. Qué condiciones deben cumplirse para que un FET trabaje como resistencia controlable por tensión? 14. Investigue como utilizar el trazador de curvas para medir las curvas características de los FET utilizados en el laboratorio. 15. Desarrolle un circuito para obtener las curvas de salida I D = f(u DS ) UGS =cte para transistores MOSFET de enriquecimiento canal N y P, con cero error de tensión. Limite los valores absolutos de tensión de puerta a 5 V y de drenador-surtidor a 10 V. Tome en cuenta las polaridades adecuadas para cada circuito. 16. En cuál cuadrante del ORC aparecerán las curvas características de salida, según su circuito de medición para los MOSFET canal N y canal P? En la parte II de este experimento usted debe utilizar la experiencia generada en la parte I (curvas características de BJT) para dimensionar y configurar parcialmente los circuitos a utilizar en la obtención manual de las curvas características y los parámetros de los FET. Revise el procedimiento y complete el circuito de medición en la figura 2 de las maneras solicitadas para extraer los diferentes datos. Note que los valores de R D y R S pueden ser cero, dependiendo de lo que se deba medir. Simule los circuitos propuestos para verificar su funcionamiento antes de asistir a la segunda sesión de laboratorio. Nota: Estos circuitos deben ser discutidos con el profesor previamente a su montaje. 2

3 IV Materiales y Equipo 1 Fuente CD 1 multímetro 1 generador de funciones (sinusoidal, rectangular, triangular) 1 ORC 1 Trazador de curvas KI3020A 1 Placa de montaje experimental AC o similar ( protoboard ) 1 Transistor 2N3904/KN3904 o equivalente 1 Transistor JFET NTE132, NTE312, 2SK30ATM (K30A), o equivalente 1 Circuito integrado CMOS CD Diodo rectificador de silicio 1N4001 o equivalente Resistencias de 1/4 W de 100 Ω, 10 kω y 100 kω Resistencias determinadas por el estudiante Alambre aislado 26/24AWG, alicates de punta, cortadora de cable Cables con terminales de banana Enchufe aislador de tierras (tapón aislador o cable sin pata de tierra) Hojas para oscilogramas V Procedimiento Es importante antes de comenzar que: mida y anote el valor real de las resistencias empleadas, verifique la condición de los diodos a emplear, aisle la tierra del osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra del generador. Confirme con una medición de continuidad usando el multímetro. Parte Ia Obtención manual de las curvas de transistores bipolares (BJT) Familia de curvas características de salida del BJT en configuración de emisor común. I C = f(u CE ) IB =cte 1. Monte, en la placa experimental, el circuito de medición de la figura 1. Use acople de CD en el ORC en conexión como trazador X-Y. Use el multímetro para las mediciones de CD. 2. Ajuste la frecuencia del generador a 60 Hz y la amplitud a 5 V en onda sinusoidal o triangular. Verifique la polaridad del diodo. 3. Ajuste la tensión de la fuente para obtener una corriente de base que lleve al transistor a su zona de saturación y otra que lo lleve a su zona de corte. Mida y grafique la curva característica de salida (colector-emisor) en emisor común para estas corrientes y también para dos corrientes intermedias. 3

4 X D 1 R B =10kΩ Q 1 NPN Generador 60 Hz 5 V p Fuente CD R M =100Ω Y INV Figura 1: Circuito de medición para la Parte Ia. 4. Aumente lentamente la tensión del generador y observe y anote los cambios en la curva característica de salida. Qué fenómeno ocurre y a qué tensión comienza? Parte Ib Obtención de las curvas del BJT de forma automática 1. Ajuste el trazador de curvas KI-3020A según la tabla 1. Interruptor/Perilla Tabla 1: Ajustes del KI-3020A para la Parte Ib Ajuste/Valor Selector de corriente de base 50µA ó 100µA (pruebe primero con 50µA) POLARITY NPN H-LENGTH girada completamente en el sentido del reloj POWER ON CURRENT LIMIT SIGNAL (R i de medición para I C es de 100 Ω) Selector de tipo de transistor TRANS Selector de tensión de barrido 5 V SELECTOR OFF 2. Ajuste el osciloscopio según la tabla 2. Tabla 2: Ajustes del osciloscopio Interruptor/Perilla Sensibilidad canal X Sensibilidad canal Y Barrido horizontal Ajustes de posición del trazo Ajuste/Valor 0,5 V/cm 50 mv/cm como trazador X-Y Ajuste el origen de la gráfica X-Y en la esquina inferior izquierda 4

5 3. Con el interruptor SELECTOR en OFF, coloque el transistor en una de las bases A o B. Asegúrese de que los terminales del transistor se conecten a las respectivas terminales de la base. 4. Con el interruptor SELECTOR en A o B, depende de dónde colocó el transistor, mida y grafique la familia de curvas características de salida del transistor en emisor común. 5. Mida la resistencia estática y dinámica del transistor con una corriente de base de 200µA, manteniendo constante la tensión colector-emisor U CE en 2 y 5 voltios. Parte IIa Obtención de curvas de transistores FET de forma manual 1. Modifique el circuito de la figura 2 para medir I DSS. Considere que U DS no debe sobrepasar 10 V, pero que debe ser suficientemente alta para asegurar que el FET entre en la región de saturación. D R D B 100 kω R S A C Figura 2: Circuito de Medición. 2. Modifique el circuito de la figura 2 para determinar la curva de transferencia del JFET I D = f(u GS ). Debe asegurar que U DS sea constante. Utilice los datos del fabricante para seleccionar un valor de tensión U DS que obligue al transistor a operar en saturación (fuera de la región óhmica) para todo el rango de corrientes I D, y que U DS sea menor a 10 V. Utilice al menos 8 puntos para trazar la curva, o una medición con el osciloscopio. Si decide utilizar una medición con el osciloscopio, dimensione la resistencia que utilice como sensor de corriente para que el error en la tensión U DS no supere el 5%, considerando que la corriente máxima sería I DSS. 3. Determine el valor de la tensión de estrangulamiento (o estrechamiento) U P. 4. Modifique ahora el circuito de la figura 2 para medir con el osciloscopio la curva característica de drenador I D = f(u DS ) para un determinado valor de U GS. Asegúrese de que la tensión U DS nunca sea negativa (utilice por ejemplo un circuito rectificador). Divida el rango de tensiones U GS entre 0 V y U P para que contenga al menos 5 curvas. Dimensione R D para permitir que el FET entre en saturación. 5

6 Parte IIb Obtención de curvas de transistores FET de forma automática 1. Verifique los resultados de las características de drenador de la parte IIa utilizando un trazador de curvas. Parte IIIa Obtención de curvas de transistores MOSFET manualmente Nota: Para evitar que el experimento se torne demasiado largo, use el método de la parte IIIa para un tipo de transistor MOSFET y el método de la parte IIIb para el otro tipo. Familia de curvas características de salida del MOSFET en configuración de surtidor común I D = f(u DS ) UGS =cte 1. Monte, en la placa experimental, su circuito de medición. Use acople de CD en el ORC en conexión como trazador X-Y. Use el multímetro para las mediciones de CD (promedios). 2. Ajuste la frecuencia del generador a 100 Hz y la amplitud a 5 V en onda triangular o sinusoidal. Verifique la polaridad del diodo. 3. Ajuste los canales del osciloscopio para obtener una curva adecuada. La resistencia de medición de corriente debe ser de 100 Ω. 4. Realice la medición de la característica de salida para diferentes valores de tensión U GS. Determine el valor de U T para cada tipo de transistor. Parte IIIb Obtención de las curvas de transistores MOSFET de forma automática 1. Ajuste el trazador de curvas KI-3020A según la tabla 3. Interruptor/Perilla Tabla 3: Ajustes del KI-3020A para Parte IIIb Ajuste/Valor Selector de corriente de base externa POLARITY Canal N o P según el tipo de transistor MOS H-LENGTH girada completamente en el sentido del reloj POWER ON CURRENT LIMIT SIGNAL (R i de medición para I D es de 100 Ω) Selector de tipo de transistor FET (en realidad no importa, pues está usando polarización externa) Selector de tensión de barrido 5 V ó 10 V SELECTOR OFF para insertar el transistor, luego A o B 2. Conecte una fuente de alimentación externa de la polaridad adecuada para estimular la puerta del MOSFET y ajústela para obtener las curvas de salida I D = f(u DS ) UGS =cte una por una. 6

7 VI 3. Ajuste el osciloscopio para observar el trazo de manera adecuada en la pantalla ajustando el selector en la posición A o B en la que conectó su FET. Evaluación 1. Determine con ayuda de las curvas obtenidas los siguientes parámetros del transistor para el punto de operación (PO) I B = 200µA y U CE = 2 V Resistencias estática y dinámica base-emisor: R BE = U BE I B y r BE = U BE I B 1.2. Ganancias de corriente estática y dinámica de emisor común: h FE (B) = I C I B y h fe (β) = I C I B 1.3. Resistencias estática y dinámica colector-emisor: R CE = U CE I C y r CE = U CE I C 2. Investigue y explique la dependencia de los parámetros del transistor con respecto a la temperatura. 3. Investigue y documente los modelos de representación del transistor bipolar para pequeña señal en CA (parámetros híbridos); y para CD y gran señal (Ebers-Moll). 4. A qué se debe el fenómeno observado en el punto 4 de la parte Ia.? Por qué debe evitarse esto en el trabajo normal de un transistor bipolar? 5. Cómo se puede medir la tensión de saturación de colector-emisor U CEsat en las curvas de salida de un transistor en emisor común? 6. Cómo podría medirse la familia de curvas características de entrada (base-emisor) para un transistor bipolar en conexión de emisor común con U CE =cte.? Dibuje el circuito de medición. 7. Investigue que es la trasconductancia y como puede obtenerse a través de mediciones la transconductancia estática y la transconductancia dinámica. 8. Compare la curva de transferencia experimental I D = f(u GS ) con la ecuación de Shockley. 9. Compare las curvas características de drenador obtenidas con el trazador, sus mediciones manuales y los datos del fabricante. 7

8 10. Derive de las curvas características de drenador la curva de transferencia y compárela con las obtenidas directamente y con los datos del fabricante. 11. Respecto a la resistencia de entrada R GS del FET A qué valor tiende esta resistencia y por qué? Proponga un circuito de medición para medirla evitando que se produzcan errores extremos. 12. Empleando las curvas de salida del FET describa un método para determinar su resistencia dinámica de salida r DS. Sea claro y especifique todos los pasos. 13. Una manera práctica de hallar la tensión de estrangulación en un JFET y sobre la curva de transconductancia es determinar sobre la curva la tensión U GS para la cual la corriente del drenador ha disminuido hasta un valor equivalente al 10% de su valor máximo. Esto es cuando I D = 0,1I DSS. Compare este valor con el obtenido teóricamente en base a los datos que brinda el fabricante respecto a I DSS y g m Respecto a la curva de salida: Separe la curva en dos zonas. Destaque la zona de resistencia óhmica (U DS < U GSOFF ) y calcule aproximadamente el parámetro r DS. Asuma un valor específico del parámetro U GS. Para la zona no lineal calcule el valor de r DS. 15. Trace sobre la curva de salida del FET la hipérbola de máxima disipación para el valor de potencia drenador-surtidor indicado por el fabricante. EIS/pam, 24 de agosto de

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