Componentes Electrónicos. Prácticas - Laboratorio. Práctica 4: Transistores

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2 Práctica 4: Transistores (Montaje y medida en laboratorio) Índice: 1. Material de prácticas 2. El transistor BJT en continua. Polarización 2.1. Circuito autopolarizado 2.2. Circuito de polarización con tensión de base 3. El transistor BJT como amplificador 3.1. Circuito amplificador en Emisor Común 3.2. Circuito amplificador en Colector Común Anexo. Hoja de características del transistor P2N2222 1

3 En esta práctica se abordará el montaje y medida de circuitos con transistores BJT. Para ello, se hará uso del siguiente instrumental, disponible en el laboratorio de electrónica básica: - Fuentes de tensión. - Multímetros digitales (voltímetro y amperímetro). - Generador de señal. - Osciloscopio En el primer apartado, se analizarán dos de los circuitos de polarización más utilizados en amplificadores (circuito autopolarizado y circuito polarizado con tensión de base), evaluando las distintas zonas de funcionamiento de los transistores en función de las tensiones y resistencias del circuito de polarización. En el segundo apartado se abordará el montaje y medida de circuitos amplificadores con transistores BJT. En particular se obtendrán los principales parámetros de un amplificador en emisor común con resistencia de emisor parcialmente desacoplada y, posteriormente, de un amplificador configurado en colector común. Antes de empezar la práctica, el alumno debe leerse la hoja de características del transistor que se va a utilizar en la misma (2N2222), especialmente la asignación de pines del transistor. El datasheet se encuentra en un anexo al final de la práctica. 1. Material de prácticas El material necesario para el desarrollo de la práctica es el siguiente: - Placa de inserción. - Resistencias: 47 (2); 18; 15; 33; 82 (2); 1k; 2k2; 5k6. - Condensadores: 1µF (3). - Transistor BJT: NPN P2N

4 2. El transistor BJT en continua. Polarización 2.1. Circuito autopolarizado El objetivo de este apartado es el montaje y medida del circuito mostrado en la figura 1. Se trata de un circuito con transistor BJT autopolarizado. 12V R1 RC 5k6 82 Q1 Q2N2222 R2 RE Figura 1. Circuito autopolarizado con transistor BJT NPN Monte en la placa de inserción el circuito autopolarizado de la figura 1. Antes de conectar la alimentación del circuito asegúrese de que el transistor esté bien montado, es decir compruebe la asignación de los pines. a) Con la ayuda de los amperímetros y los voltímetros de que dispone en su puesto de trabajo rellene la siguiente tabla. Recuerde que la tensión se mide en paralelo y la corriente en serie. I B I C I E V CE V BE V BC Reg. Oper. b) Cambie la resistencia R2 del circuito por los valores que se detallan en la siguiente tabla y mida el resto de parámetros que le piden en la misma. Justifique los resultados obtenidos. R2 I B I C V BE V CE Reg. Oper. 33 2k2 3

5 2.1. Circuito de polarización con tensión de base Monte en la placa de inserción el circuito de polarización de transistor con fuente de tensión en la base que se muestra en la figura 2. 5V RC 2k2 RB Q1 VB 5k6 Q2N2222 Figura 2. Circuito de polarización con tensión de base a) Rellene la siguiente tabla, midiendo los distintos parámetros del transistor para cada uno de los valores de tensión VB que se indican. VB I B I C V CE V BE V BC Reg. Oper..5V.7V 1V Cambie la fuente de continua VB por una tensión senoidal de 1V de amplitud, frecuencia 1kHz y valor medio no nulo de.7v (ajustar el offset del generador de funciones). Compruebe en vacío (conectando directamente el generador de funciones al osciloscopio) que la salida del generador es la correcta. b) Conecte la señal senoidal al circuito y mida con el osciloscopio la tensión de entrada (mídala de nuevo, pues será distinta a la obtenida en vacío) y la tensión de salida (tensión en el colector). Represente ambas señales en la gráfica adjunta. Justifique las formas de onda obtenidas. 4

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7 2. El transistor BJT como amplificador En este apartado analizaremos el funcionamiento el funcionamiento del transistor BJT como componente principal de un circuito amplificador. Para ello se medirán los principales parámetros del amplificador, como son la ganancia en tensión, la ganancia en intensidad, la impedancia de entrada y la impedancia de salida. Este análisis se realizará tanto para un amplificador en configuración de emisor común como para un amplificador en colector común Circuito amplificador en Emisor Común Considere el circuito amplificador en emisor común con resistencia parcialmente desacoplada que se muestra en la figura 3. La tensión de entrada es una señal senoidal con una amplitud de 15mV y una frecuencia de 1kHz (offset nulo). 12V v in C1 1u R1 5k6 RC 82 Q1 Q2N2222 C2 1u RL 1k vo RE1 R RE2 C3 15 1u Figura 3. Circuito amplificador en emisor común con RE parcialmente desacoplada Monte el circuito de la figura 3 en la placa de inserción y ajuste la señal de entrada en vacío (conecte directamente la salida del generador de funciones al osciloscopio) Realice las siguientes medidas, orientadas a la obtención de los parámetros del amplificador. a) Ganancia de Tensión. Conecte la señal de entrada al amplificador. Conecte el canal 1 del osciloscopio a la entrada del amplificador y el canal 2 a la salida del mismo. Mida la amplitud y fase de ambas tensiones. Obtenga la ganancia de tensión como el cociente de la tensión de salida entre la tensión de entrada. v in = v = A v = 6

8 b) Impedancia de entrada. Para medir la impedancia de entrada necesitamos medir la tensión de entrada y la intensidad de entrada del amplificador. Esto último supone un problema, ya que el osciloscopio únicamente mide tensión. Para poder medir esta intensidad, conectaremos una resistencia externa conocida (en este caso de 47) entre el punto de entrada del amplificador y la fuente de entrada. Conocida la tensión en ambos bornes de esta nueva resistencia podemos determinar la intensidad de entrada, que junto con la tensión de entrada (mídala de nuevo, ya que habrá cambiado respecto al punto anterior) nos proporcionan la impedancia de entrada. Recuerde que al medir la tensión con el osciloscopio, forzosamente el terminal negro de cada uno de los canales tiene que estar conectado a la tierra del circuito. v A 47 v in AMPLIFICADOR vg i in Zin Figura 4. Esquema para el cálculo de la impedancia de entrada del amplificador i in = v in = Z in = c) Ganancia de corriente Para obtener este parámetro necesitamos la intensidad de entrada y la de salida. Para poder obtener la intensidad de entrada, mantenemos el montaje del punto anterior con la resistencia externa de 47 conectada a la entrada del amplificador. La corriente de salida la podemos obtener a partir de la tensión de la impedancia de carga y teniendo en cuenta el valor de ésta (1k). i in = i = A i = d) Impedancia de salida. Para obtener este parámetro, seguiremos los mismos pasos que en teoría, es decir, eliminaremos las fuentes independientes del circuito (fuente de tensión de entrada) y conectaremos una fuente de test a la salida del amplificador (sin la resistencia de carga). Obteniendo la tensión y la corriente de esta fuente tendremos la impedancia de salida. Para obtener la intensidad de la fuente de test conectaremos una resistencia externa entre la fuente y la salida del amplificador (ver circuito de la figura 5). La fuente de test tendrá las mismas características (amplitud y frecuencia) que la tensión de entrada del amplificador. 7

9 v in AMPLIFICADOR v out 47 v t Zout i out vt Figura 5. Circuito para la obtención de la impedancia de salida del amplificador i out = v out = Z out = Considere de nuevo el circuito amplificador con resistencia de emisor parcialmente desacoplada mostrado en la figura 3. Sustituya la resistencia R2 del amplificador por una resistencia de 33. Mida la tensión de entrada y de salida y represéntelas en la siguiente gráfica. Indique la región de funcionamiento del amplificador y justifique los resultados obtenidos. Región de funcionamiento: 8

10 Sustituya la resistencia R2 del amplificador por una resistencia de valor 2.2k. Dibuje de nueva las tensiones de entrada y salida del circuito. Indique la región de funcionamiento del amplificador y justifique los resultados. Región de funcionamiento: 3.2. Circuito amplificador en Colector Común En este último apartado de la práctica mediremos y analizaremos los parámetros de un amplificador basado en transistor con configuración de colector común. Se trata del circuito que se muestra en la figura 6, donde el circuito de polarización es el mismo que el utilizado en el apartado anterior. Monte el circuito en la placa de pruebas y ajuste midiendo en vacío una tensión de entrada senoidal de 15mV de amplitud, 1kHz de frecuencia y media nula. Siga las instrucciones dadas en el apartado anterior para la medida y obtención de los parámetros del amplificador y rellene la tabla adjunta. 9

11 12V R1 5k6 RC 82 v in C1 Q1 Q2N2222 1u C2 R2 RE1 47 1u v out 82 RL RE2 C3 1k 15 1u Figura 6. Circuito amplificador en colector común Ganancia de Tensión v in = v out = A v = Impedancia de Entrada i in = v in = Z in = Ganancia de Intensidad i in = I out = A i = Impedancia de Salida i out = v out = Z out = Justifique los resultados obtenidos y compárelos de forma razonada con los que ha obtenido previamente para el amplificador en configuración de emisor común. 1

12 P2N2222A Amplifier Transistors NPN Silicon Features These are Pb -Free Devices* MAXIMUM RATINGS (T A =25 C unlessotherwisenoted) Characteristic Symbol Value Unit CollectorEmitter Voltage V CEO 4 Vdc CollectorBase Voltage V CBO 75 Vdc EmitterBase Voltage V EBO 6. Vdc Collector Current Continuous I C 6 madc Total Device T A =25 C Derate above 25 C Total Device T C =25 C Derate above 25 C Operating and Storage Junction Temperature Range THERMAL CHARACTERISTICS P D P D T J,T stg 55 to +15 mw mw/ C W mw/ C Characteristic Symbol Max Unit Thermal Resistance, Junction to Ambient R JA 2 C/W Thermal Resistance, Junction to Case R JC 83.3 C/W Stresses exceeding Maximum Ratings may damage the device. Maximum Ratings are stress ratings only. Functional operation above the Recommended Operating Conditions is not implied. Extended exposure to stresses above the Recommended Operating Conditions may affect device reliability. C TO -92 CASE 29 STYLE BASE COLLECTOR 1 3 EMITTER STRAIGHT LEAD BENT LEAD BULK PACK TAPE & REEL AMMO PACK MARKING DIAGRAM P2N2 222A AYWW G G A = Assembly Location Y = Year WW = Work Week G =PbFreePackage (Note: Microdot may be in either location) ORDERING INFORMATION Device Package Shipping P2N2222AG TO92 (PbFree) 5 Units/Bulk *For additional information on our PbFree strategy and soldering details, please download the ON Semiconductor Soldering and Mounting Techniques Reference Manual, SOLDERRM/D. P2N2222ARL1G TO92 (PbFree) 2/Tape & Ammo For information on tape and reel specifications, including part orientation and tape sizes, please refer to our Tape and Reel Packaging Specification Brochure, BRD811/D. Semiconductor Components Industries, LLC, 27 April, 27 - Rev. 5 1 Publication Order Number: P2N2222A/D

13 P2N2222A ELECTRICAL CHARACTERISTICS (T A =25 C unlessotherwisenoted) OFF CHARACTERISTICS CollectorEmitter Breakdown Voltage (I C =1mAdc,I B =) CollectorBase Breakdown Voltage (I C =1mAdc, I E =) EmitterBase Breakdown Voltage (I E =1mAdc, I C =) Collector Cutoff Current (V CE =6Vdc,V EB(off) =3.Vdc) Collector Cutoff Current (V CB =6Vdc,I E =) (V CB =6Vdc,I E =,T A =15 C) Emitter Cutoff Current (V EB =3.Vdc,I C =) Collector Cutoff Current (V CE =1V) Base Cutoff Current (V CE =6Vdc,V EB(off) =3.Vdc) ON CHARACTERISTICS DC Current Gain (I C =.1mAdc,V CE =1Vdc) (I C =1.mAdc,V CE =1Vdc) (I C =1mAdc,V CE =1Vdc) (I C =1mAdc,V CE =1Vdc,T A =55 C) (I C =15mAdc,V CE =1Vdc)(Note1) (I C =15mAdc,V CE =1.Vdc)(Note1) (I C =5mAdc,V CE =1Vdc)(Note1) CollectorEmitter Saturation Voltage (Note 1) (I C =15mAdc,I B =15mAdc) (I C =5mAdc,I B =5mAdc) BaseEmitter Saturation Voltage (Note 1) (I C =15mAdc,I B =15mAdc) (I C =5mAdc,I B =5mAdc) SMALL -SIGNAL CHARACTERISTICS CurrentGain Bandwidth Product (Note 2) (I C =2mAdc,V CE =2Vdc,f=1MHz)C Output Capacitance (V CB =1Vdc,I E =,f=1.mhz) Input Capacitance (V EB =.5Vdc,I C =,f=1.mhz) Input Impedance (I C =1.mAdc,V CE =1Vdc,f=1.kHz) (I C =1mAdc,V CE =1Vdc,f=1.kHz) Voltage Feedback Ratio (I C =1.mAdc,V CE =1Vdc,f=1.kHz) (I C =1mAdc,V CE =1Vdc,f=1.kHz) SmallSignal Current Gain (I C =1.mAdc,V CE =1Vdc,f=1.kHz) (I C =1mAdc,V CE =1Vdc,f=1.kHz) Output Admittance (I C =1.mAdc,V CE =1Vdc,f=1.kHz) (I C =1mAdc,V CE =1Vdc,f=1.kHz) Collector Base Time Constant (I E =2mAdc,V CB =2Vdc,f=31.8MHz) Noise Figure (I C =1mAdc, V CE =1Vdc,R S =1.k, f=1.khz) 1. Pulse Test: Pulse Width 3 ms, Duty Cycle 2.%. 2. f T is defined as the frequency at which h fe extrapolatestounity. Characteristic Symbol Min Max Unit V (BR)CEO 4 V (BR)CBO 75 V (BR)EBO 6. I CEX 1 I CBO I EBO.1 1 I CEO 1 I BEX 2 h FE V CE(sat) V BE(sat).6 Vdc Vdc Vdc nadc madc 1 nadc f T 3 C obo 8. C ibo 25 h ie h re h fe 5 75 h oe rb C c 15 N F 4. nadc nadc Vdc Vdc MHz pf pf k X1 4 mmhos ps db 2

14 P2N2222A ELECTRICAL CHARACTERISTICS (T A =25 C unlessotherwisenoted)(continued) Characteristic Symbol Min Max Unit SWITCHING CHARACTERISTICS Delay Time (V CC =3Vdc,V BE(off) =2.Vdc, t d 1 ns Rise Time I C =15mAdc,I B1 =15mAdc)(Figure1) t r 25 ns Storage Time (V CC =3Vdc,I C =15mAdc, t s 225 ns Fall Time I B1 =I B2 =15mAdc)(Figure2) t f 6 ns SWITCHING TIME EQUIVALENT TEST CIRCUITS +16 V 1. to 1 ms, DUTY CYCLE 2.% +3 V V 1. to 1 ms, DUTY CYCLE 2.% +3 V 2 2 V <2ns 1k C S *<1pF 14 V <2ns 1k 1N914 C S *<1pF Figure 1. Turn -On Time Scope rise time < 4 ns *Total shunt capacitance of test jig, connectors, and oscilloscope. 4 V Figure 2. Turn -Off Time hfe,dccurrentgain T J =125 C 25 C 55 C V CE =1.V V CE =1V I C,COLLECTORCURRENT(mA) Figure 3. DC Current Gain 1. k 3

15 P2N2222A VCE,COLLECTOREMITTERVOLTAGE(VOLTS) I C =1.mA 1 ma 15 ma 5 ma I B,BASECURRENT(mA) Figure 4. Collector Saturation Region T J =25 C t, TIME (ns) t CC =3V t EB(off) =2.V t EB(off) = I C,COLLECTORCURRENT(mA) Figure 5. Turn -On Time I C /I B =1 T J =25 C 3 5 t, TIME (ns) t s =t s 1/8 t f t f I C,COLLECTORCURRENT(mA) Figure 6. Turn -Off Time V CC =3V I C /I B =1 I B1 =I B2 T J =25 C NF, NOISE FIGURE (db) I C =1.mA,R S =15 5 ma, R S =2 1 ma, R S =2.k 5 ma, R S =4.k R S =OPTIMUM R S = SOURCE R S = RESISTANCE NF, NOISE FIGURE (db) f=1.khz I C =5mA 1 ma 5 ma 1. ma f, FREQUENCY (khz) k 2. k 5. k 1 k 2 k 5 k 1 k R S,SOURCERESISTANCE(OHMS) Figure 7. Frequency Effects Figure 8. Source Resistance Effects 4

16 P2N2222A CAPACITANCE (pf) C eb REVERSE VOLTAGE (VOLTS) C cb ft,currentgainbandwidthproduct(mhz) V CE =2V T J =25 C I C,COLLECTORCURRENT(mA) Figure 9. Capacitances Figure 1. Current -Gain Bandwidth Product 1. T J =25 C R VC for V CE(sat) V, VOLTAGE (VOLTS).6.4 V C /I B =1 V CE =1V 1. V COEFFICIENT (mv/ C) V C /I B = k I C,COLLECTORCURRENT(mA) Figure 11. On Voltages R VB for V BE I C,COLLECTORCURRENT(mA) Figure 12. Temperature Coefficients 5

17 P2N2222A PACKAGE DIMENSIONS TO -92 (TO -226) CASE 2911 ISSUE AM R A N B STRAIGHT LEAD BULK PACK NOTES: 1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ANSI Y14.5M, CONTROLLING DIMENSION: INCH. 3. CONTOUR OF PACKAGE BEYOND DIMENSION R IS UNCONTROLLED. 4. LEAD DIMENSION IS UNCONTROLLED IN P AND BEYOND DIMENSION K MINIMUM. P L SEATING INCHES MILLIMETERS PLANE K DIM MIN MAX MIN MAX A B C D X X D G H G J H J K V C L N P SECTION X -X R N V R T SEATING PLANE P G A X X V 1 B K C N BENT LEAD TAPE & REEL AMMO PACK D J SECTION X -X NOTES: 1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ASME Y14.5M, CONTROLLING DIMENSION: MILLIMETERS. 3. CONTOUR OF PACKAGE BEYOND DIMENSION R IS UNCONTROLLED. 4. LEAD DIMENSION IS UNCONTROLLED IN P AND BEYOND DIMENSION K MINIMUM. MILLIMETERS DIM MIN MAX A B C D.4.54 G J.39.5 K 12.7 N P R 2.93 V 3.43 STYLE 17: PIN 1. COLLECTOR 2. BASE 3. EMITTER ON Semiconductor and are registered trademarks of Semiconductor Components Industries, LLC (SCILLC). SCILLC reserves the right to make changes without further notice to any products herein. SCILLCmakesno warranty, representation orguarantee regarding the suitability of its products forany particularpurpose, nordoesscillcassume anyliability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation special, consequential or incidental damages. Typical parameters which may be provided in SCILLC data sheets and/or specifications can and do vary in different applications and actual performance may vary over time. All operating parameters, including Typicals must be validated for each customer application by customer s technical experts. SCILLC does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. SCILLC products are not designed,intended,orauthorized for use as components in systems intended for surgical implant into the body, or other applications intended to support or sustain life, or for any other application in which the failure of the SCILLC product could create a situation where personal injury or death may occur. Should Buyer purchase or use SCILLC products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold SCILLC and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that SCILLC was negligent regarding the design or manufacture of the part. SCILLC is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. This literature is subject to all applicable copyright laws and is not for resale in any manner. PUBLICATION ORDERING INFORMATION LITERATURE FULFILLMENT: Literature Distribution Center for ON Semiconductor P.O. Box 5163, Denver, Colorado 8217 USA Phone: or TollFreeUSA/Canada Fax: or TollFreeUSA/Canada orderlit@onsemi.com N. American Technical Support: TollFree USA/Canada Europe, Middle East and Africa Technical Support: Phone: Japan Customer Focus Center Phone: ON Semiconductor Website: Order Literature: For additional information, please contact your local Sales Representative P2N2222A/D