Laboratorio Nº3. Procesamiento de señales con transistores

Transcripción

1 Laboratorio Nº3 Procesamiento de señales con transistores Objetivos iseñar redes de polarización para operar transistores JT y JFT en modo activo, y evaluar la estabilidad térmica de puntos de operación, desviación de parámetros de transistores y corrimiento de puntos de operación teóricos. Obtener los parámetros que caracterizan a un amplificador monoetapa: máxima incursión y excursión simétrica, ganancia de voltaje, ganancia de corriente, impedancia de entrada y salida, y respuesta en frecuencia. iseñar redes de polarización para operar transistores en corte y saturación para la activación de contactores mediante señales lógicas. Actividades iseñar una red de polarización para un amplificador con JT en configuración misor omún (Fig.5) que cumpla con las siguientes especificaciones: ceq = 6 [] y I cq = 1 [ma]. Utilice un transistor npn 548. onsidere una tensión de alimentación cc = 12 []. Medir y tabular voltajes y corrientes en cada componente. Obtener el punto de operación real y calcular β del transistor. erifique su tensión de alimentación. Utilizando acoplamiento capacitivo de entrada y salida, medir la máxima excursión simétrica y la impedancia de entrada del amplificador. onsidere una carga R L = 1 [kω] y una señal de entrada sinusoidal con una frecuencia de operación de 1 [khz]. Medir la ganancia de voltaje y corriente, y el ancho de banda para una señal de entrada sinusoidal con una amplitud igual a la mitad de la máxima incursión simétrica. Retirar el condensador de bypass y medir nuevamente la ganancia de voltaje y corriente, y la impedancia de entrada del amplificador (Fig.6). ompare y comente resultados. efinir y montar los circuitos que permitan determinar experimentalmente los parámetros del JFT 2N5458 (corriente saturación I, voltaje pinchoff p ). Utilice una tensión de alimentación = 15 []. ompare sus resultados con la información técnica del transistor proporcionada por el fabricante. iseñar una red de polarización para un amplificador con JFT canal n en configuración ource omún (Fig.7), que permita obtener una ganancia de voltaje sin distorsión A v = 5.onsidere una carga R L = 1 [kω] y una señal de entrada sinusoidal de 100 [m]/1 [khz]. isualice las formas de onda más relevantes. Tabule voltajes y corrientes A,. iseñar una red de polarización que permita operar un JT como una compuerta lógica NOT (Fig.8). onsidere una tensión de alimentación cc = 12 [] y un tren de pulsos de 5[]/1[kHz] como señal de control. Tabule los voltajes y corrientes en ambos estados. Mida los tiempos de retardo de encendido y apagado. omente. Qué se entiende por máxima excursión de señal? Qué elementos definen la respuesta en baja y alta frecuencia de un amplificador monoetapa con JT y JFT?

2 Marco Teórico Los transistores son dispositivos semiconductores de tres terminales utilizados para el procesamiento y amplificación de señales. stos se dividen en dos clases que caracterizan la estructura y los principios físicos que controlan las características corrientevoltaje del dispositivo. Las dos clases son el transistor de unión bipolar (JT) y el transistor de efecto de campo (FT). l JT se compone de 3 tipos de materiales semiconductores alternados: dos materiales tipo n y uno tipo p (transistor JT npn), o dos materiales tipo p y uno tipo n (transistor JT pnp). us símbolos respectivos se muestran en Fig.1. Los terminales del JT se denominan ase (), olector () y misor (). l transistor JT opera como un amplificador de corriente controlado por la corriente de base (I b ) con una ganancia β. Las corrientes de colector (I c ) y de emisor (I e ) en un JT se relacionan con la corriente de base de acuerdo a la siguiente expresión: I = I I I = β I (1) e c b c b l JT presenta tres regiones de operación (Fig.2): Región de orte, Región de aturación y Región Activa. Región de orte: Un transistor esta en corte cuando I b = 0 I c = I e = 0. n este caso el voltaje entre colector y emisor del transistor ( ce ) es igual al voltaje de alimentación. Región de aturación: Un transistor esta saturado cuando la corriente de base es lo suficientemente grande para provocar ce 0. n este caso la corriente de colector es máxima. Los estados de corte y saturación permiten utilizar el JT en conmutación en la implementación de operaciones lógicas digitales y circuitos de disparo de semiconductores de potencia (MOFT, IGT, IGT, etc) en aplicaciones de electrónica de potencia, o como interruptor de potencia en fuentes de poder conmutadas de baja potencia. Región Activa: n esta zona el transistor opera como amplificador de señales alternas, verificándose (1). Para operar el JT como amplificador lineal, se utilizan distintas técnicas de polarización basadas en redes de elementos pasivos que permiten definir un punto de operación en la zona activa del transistor. La elección del punto de operación permite definir distintos parámetros y características operacionales del amplificador tales como ganancia de voltaje y corriente, impedancia de entrada, ancho de banda o máxima excursión de salida. Por otro lado, dependiendo de la localización de las entradas, salidas y tierra, se definen cuatro configuraciones básicas de amplificadores con JT: misor omún, misor omún con resistencia de misor, olector omún (o eguidor de misor), y ase omún. l JFT o FT de Juntura, es uno de los FT más comunes. Permite controlar el flujo de corriente a través de un canal semiconductor, variando la impedancia del canal al aplicar un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la corriente. xisten 2 tipos de transistores JFT. Uno de ellos esta

3 compuesto por una parte de semiconductor tipo n que constituye el canal, al que se le adicionan 2 regiones con impurezas tipo p unidas entre sí, llamado JFT canal n. l otro es el JFT canal p, donde el canal es de material tipo p y las regiones con impurezas son de tipo n. us símbolos respectivos se muestran en Fig.2. Los terminales del JFT se denominan Gate (G), rain () y ource (). l transistor JFT opera como un amplificador de corriente controlado por el voltaje aplicado entre gate y source (v G ). Utilizando la ecuación de hockley, la corriente que circula a través del canal del transistor (i ) se define en función de la corriente de saturación drainsource (I ) y el voltaje de estrangulamiento del canal o oltaje de pinchoff ( p ) como: i I v 1 G p (2) a) b) Fig.1 ímbolos transistores JT: a) pnp, b) npn. I aturación Región Activa I orte Fig.2 Regiones de operación JT.

4 L JFT presenta 3 regiones de operación (Fig.4): Región óhmica, Región de aturación o Activa y Región de Ruptura. Región Óhmica: n esta zona el transistor se comporta como una resistencia cuyo valor óhmico esta determinado por el voltaje v G. A medida que disminuye este voltaje, el ancho de la región óhmica aumenta. l FT opera en esta región cuando se desea una resistencia variable y en aplicaciones de conmutación. Región de Ruptura: uando el voltaje entre drain y source (v ) crece más allá del estrangulamiento, se llega a un punto donde v se vuelve tan grande que ocurre la ruptura de avalancha del transistor, que destruye el dispositivo por el incremento abrupto de la corriente i. Región de aturación o Activa: La región entre el voltaje de estrangulamiento y la ruptura de avalancha se denomina región activa. sta región es útil para aplicaciones de amplificación lineal de señales. n esta región i se satura y su valor depende de v G, de acuerdo a (2). Los mismos circuitos básicos utilizados para la polarización de transistores JT pueden ser utilizados para la polarización de JFT. in embargo, en el diseño de amplificadores con JFT debe asegurarse la operación del transistor en la región de saturación o activa. ependiendo de la localización de las entradas, salidas y tierra, se definen cuatro configuraciones básicas de amplificadores con JFT análogas a las configuraciones de amplificadores con JT: ource omún, ource omún con resistencia de ource, rain omún y Gate omún. G G p G n n n G p p a) b) Fig.3 ímbolos transistores JFT: a) canal p, b) canal n.

5 I Región Óhmica Región de Ruptura Región Activa G Fig.4 Regiones de operación JFT. in R R L Fig.5 Amplificador con JT configuración misor omún. in R R L Fig.6 Amplificador con JT configuración misor omún con resistencia de misor.

6 R in R R L Fig.7 Amplificador con JFT configuración ource omún. R R R L in Fig.8 Puerta lógica NOT con JT configurado en emisor común. Resumen de iseño Polarización JT: R R R Fig.9 ircuito polarización transistor JT con resistencia de emisor y divisor de tensión de base.

7 n el circuito de polarización mostrado en la figura 9, para brindar un margen de estabilidad al punto de polarización del JT, se recomienda asumir en el diseño de la red de polarización para amplificadores: R = R // R = 0,1β R (3) 1 2 Luego, conocida la tensión de alimentación ( ), y calculado es posible determinar las resistencias del divisor de tensión conectado a la base del transistor de la siguiente forma: = I 1,11R (4) R R R1 = R2 = 1 (5) Amplificador con JT en onfiguración misor omún: Utilizando el modelo equivalente A del amplificador (Fig.5), y considerando el modelo para pequeña señal del JT (modelo híbrido π), es posible determinar que los parámetros del amplificador están dados por las siguientes expresiones: ( // ) A = g R R (6) v m L A i Rin RR = Av = RL R rπ β ( R R ) L (7) Rin = R // r π (8) r π β β = = gm Iq 26[ m ] (9) Amplificador con JFT en onfiguración ource omún: Utilizando el modelo equivalente A del amplificador (Fig.7), y considerando el modelo para pequeña señal del JFT (modelo híbrido π), es posible determinar que la ganancia de voltaje del amplificador corresponde a: ( // ) A = g R R (10) v m L g m 2I = 1 p G p (11)