Tecnología Electrónica

Transcripción

1 Universidad de Alcalá Departamento de Electrónica Tecnología Electrónica Ejercicios Versión: Capítulos 3 y 4: Transistores: modelos en pequeña señal y configuraciones básicas de amplificación Referencias: Texto base: Circuitos Electrónicos. Análisis simulación y diseño, de Norbert R. Malik. Amplificación discreta: Cap. 7, secciones 1 a 6. Otros: Elaborados por los profesores de la materia. Versión: 2017/02/15

2 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-2 Control de versiones : versión inicial

3 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-3 Enunciados. Nota: Algunos problemas están extraídos del texto base (Malik); en estos casos, la numeración seguida se corresponde con la usada en dicho texto. Algunos enunciados han sido cambiados ligeramente. A1.1.-Dibuje y calcule los parámetros del modelo en pequeña señal de los siguientes transistores (indique con claridad las unidades de dichos parámetros): a) MOS con V t = 2 V, k =3 ma/v 2 y V A=50 V, polarizado en I D=4 ma. b) BJT pnp con =100 y V A=150 V, polarizado en I C =10 ma. A1.2.-El circuito amplificador mostrado en la figura adjunta utiliza un transistor de Si (1) con =150, V AF=100V. La alimentación es simétrica, con V CC=V EE=10V. Los resistores son de los siguientes valores: R C=R L=2k, y la capacidad C1 es de un valor muy grande. Con estos datos, conteste razonadamente las siguientes preguntas. a) Determine el margen de valores de I 0 que permite que el transistor Q1 permanezca en zona activa. V CC Q1 R C C1 b) Represente y calcule el modelo en pequeña señal del transistor Q1, asumiendo que I 0=3mA. c) La fuente de corriente I 0 está basada en un espejo de corriente tal y como muestra la figura siguiente. Sabiendo que se quiere una I 0 de valor 3mA, calcular el valor necesario para la R REF. v g I 0 -V EE R L R REF V CC I REF I 0 Q2 Q3 -V EE A1.3.-En el circuito de polarización de la figura adjunta se emplea una alimentación simétrica con V CC=-V EE=10V. Los transistores MOS tienen los siguientes parámetros: M1 V t1 = 2V; k 1 = 3mA/V 2 R1 9k M1 R3 2k V CC M2 V t2 = -2V; k 2 = 2mA/V 2 Determine: M2 a) Punto de trabajo Q x = (I DQ, V DSQ) de ambos FET. b) Modelo en pequeña señal de ambos dispositivos suponiendo que V A1 =150V y V A2 =100V. R2 11k I O 1.5mA R4 1.5k V EE 1 Para las tensiones de conducción y saturación, tome los valores correspondientes por defecto a este material.

4 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-4 A1.4.-En el circuito amplificador de la figura adjunta, las capacidades de acoplo C 1 y C 2 son muy elevadas y la señal v i es de frecuencias medias. Otros datos: Obtenga: R D = R L = 1,2k ; R G=10M ; C 1=C 2 V DD = 12V; Transistor: k = 2mA/V 2, V t = 2V, V A a) Punto de polarización del transistor (V DSQ, V GSQ, I DQ) indicando su zona de funcionamiento. b) Valor de los parámetros en pequeña señal del MOS. c) Circuito equivalente en pequeña señal del amplificador. d) A partir del circuito equivalente anterior, obtenga las expresiones algebraicas de: Impedancia de entrada (Z i); Ganancia de tensión (v o/v i) A1.5.- (7.20 Malik) En el circuito de la figura P7.20, las tensiones umbral son V t =-3V y V t =+3V para los dispositivos, según el tipo de transistor MOS. Otros parámetros de ambos transistores son k =10-4 (A/V 2 ) y V A = 100V. a) Dibuje el circuito equivalente en pequeña señal. b) Halle las ganancias (v o/v gs) y (v o/v i). c) Halle el mayor valor que pueda tomar v o sin distorsión, según el criterio de funcionamiento en pequeña señal. + v i - v o + v i - v o A1.6.- (7.21 Malik) Los parámetros del amplificador de la figura adjunta P7.21 son = 120, k = (A/V 2 ) y V t =-1V. Halle la ganancia de tensión (v o/v i) y la máxima salida sin distorsión que permita la teoría de análisis en pequeña señal. A1.7.- (7.23 Malik) En el amplificador de la figura P7.23 los parámetros de los transistores son = 120 y V A = 130V para el transistor bipolar y k = 0, (A/V 2 ), V t =-1V y V A = 100V para el MOSFET. Suponga que la V DS del FET es la adecuada para su funcionamiento en zona activa. Utilice el análisis en pequeña señal incluyendo las r o de los transistores y halle la ganancia de tensión y las resistencias terminales (entrada y salida) del amplificador. v i v o

5 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-5 A1.8.- El amplificador en emisor común de la figura utiliza un transistor de silicio de β>>; los diodos también son de silicio. Considere los diodos ideales salvo su Vγ. a) Con el switch cerrado: obtenga el punto de trabajo Q (I CQ, V CEQ) del BJT. b) Con el switch abierto: qué efecto ejercerían los diodos sobre la tensión que alimenta realmente al BJT (tensión V PP)? Determine el nuevo punto de trabajo Q del BJT en esta situación. c) Suponga que el punto de trabajo del BJT en el caso (a) es I CQ=1mA. Obtenga el modelo del BJT para pequeña señal y frecuencias medias; tome =200 y V A=150V. d) Determine las expresiones de la ganancia de tensión, G V, y las impedancias terminales, Z e y Z s, del amplificador. e) Considerando el modelo del BJT (apartado c) y su influencia sobre los parámetros del amplificador (apartado d) indique cualitativamente el efecto que tiene abrir o cerrar el interruptor switch (apartados a y b) sobre los parámetros del amplificador (indique si varían y cómo). R o R g + v g - v o R L A1.9.- (7.31 Malik) Utilice el modelo del BJT en base común para hallar las ganancias de tensión y corriente, y las impedancias terminales (entrada y salida) del amplificador mostrado en la figura P7.30. Incluya la r o del transistor para el cálculo de la resistencia de salida. R i A (7.32 Malik) La figura adjunta (P7.32) muestra la estructura para pequeña señal de un amplificador de dos etapas (EC-BC). Utilice un modelo básico (sin r o) para los BJTs. Halle las ganancias de tensión y corriente y la resistencia de entrada del amplificador v i v o

6 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-6 A (7.40 Malik) El transistor de la figura P7.40 está polarizado en V CE = 4,5V. a) Halle la I B. b) Halle la resistencia de entrada que se ve entre base y masa, hacia la derecha. c) Halle la fracción de la señal v i que se produce entre base y masa v e. d) Halle la fracción de v i que aparece en el terminal de emisor (v s). v i + - v e v s e) Halle la tensión que se desarrollaría sobre la resistencia de 1k, si ésta se conectase directamente al generador de entrada (con su resistencia interna de 100k ), sin usar el transistor amplificador. f) Qué nombre recibe esta configuración amplificadora? A (7.43 Malik) Halle las ganancias de tensión y corriente, y las resistencias terminales (R i y R o) del amplificador de la figura P7.43 suponiendo que el transistor tiene una =80 v o + v i - R i R o A1.13.-Mediante un circuito básico de cuatro resistores (cuyos valores se indican sobre la propia figura) se polariza en activa, con I CQ =2mA, un BJT PNP de Si cuya =200. Se desea utilizar este circuito para construir un amplificador en base común cuya entrada debe ser un generador de tensión con resistencia interna R G, y su salida una carga R L. a) Sobre el propio dibujo, indique como habría que conectar el generador y carga dados para realizar el amplificador en base común deseado; no olvide los componentes de acoplo/desacoplo necesarios para no alterar la polarización del BJT. b) Suponga que ha realizado correctamente el apartado (a); dibuje el circuito equivalente en pequeña señal y frecuencias medias resultante. Obtenga la expresión algebraica de la impedancia de entrada del amplificador. R 1 10k R 2 20k R E V CC =12V Q1 R C 1,7k 2k

7 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-7 A1.14.-Se dispone de un BJT PNP de Si, con una muy elevada, que se polariza mediante cuatro resistores (cuyos valores se indican sobre la propia figura 5) en el punto I CQ =2mA. Se desea utilizar este transistor para construir un amplificador en colector común cuya entrada debe ser un generador de tensión con resistencia interna R G, y su salida una carga R L= 10k. a) De los cuatro resistores originales, uno de ellos puede eliminarse sin alterar el punto I CQ =2mA. Justifique qué resistor eliminaría y demuestre que la I CQ no ha variado. b) Sobre el circuito resultante del apartado (a), y utilizando elementos de acoplo/desacoplo apropiados, conecte el generador y la carga dados para realizar el amplificador en colector común deseado. c) Suponga que ha realizado correctamente los apartados (a) y (b); dibuje el circuito equivalente en pequeña señal y frecuencias medias resultante. Obtenga la expresión algebraica y valor numérico de la impedancia de entrada y de la ganancia de tensión del amplificador suponiendo que =200. R 1 10k R 2 20k R E V CC =12V Q1 R C 1,7k 2k

8 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-8 Capítulos 3 y 4: Transistores: modelos en pequeña señal y configuraciones básicas de amplificación Soluciones a los ejercicios propuestos

9 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-9 Soluciones A1.1: A1.2:

10 A1.3: (a): El punto de trabajo (M1, M2) de ambos MOSFET está interrelacionado. No obstante, la corriente de drenador del M1 vendrá fijada por el generador I 0. Empezamos entonces el análisis por M1. Observe al lado el dibujo del circuito original con anotaciones en rojo. Recuerde que al resolver un ejercicio de polarización, resulta muy útil anotar sobre el propio esquema los valores que se van sabiendo (tensiones, corrientes, diferencias de potencial, etc.) Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-10

11 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-11 (b): A1.4:

12 A1.5: Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-12

13 Tecnología Electrónica, C3 y 4. Modelos en p.s. y configuraciones básicas, pág.-13