"#$%&'()*&+,-#.+#'(/$%1+*1(2%(%( 4*5*.%.,%"(&%#,16.+#*"( 71%'(2%(8%#.*&*9:'(&%#,16.+#'(( Prácticas - PSPICE Práctica 3: Transistores PRÁCTICA COMPLETA "#$%&'()*+,-.-*-##(
Práctica 3: Transistores (Simulación con PSPICE) Índice: 1. El transistor en continua. Curvas características 1.1 Transistor NPN en Emisor Común 1.2 Transistor NPN en Colector Común 1.3 Transistor PNP en Emisor Común 2 El transistor en continua. Circuitos de polarización 2.1 Circuito autopolarizado 2.2 Circuito de polarización con diodo zener 2.3 Par diferencial con emisor acoplado 3 Circuitos amplificadores con transistores BJT 3.1 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor totalmente desacoplada 3.2 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor sin desacoplar 3.3 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor parcialmente desacoplada 3.4 Amplificador en Colector Común 1
En esta práctica se estudiará el análisis de circuitos con transistores bipolares de unión, BJT, utilizando el simulador circuital PSPICE. En un primer apartado abordaremos el estudio de las curvas características de funcionamiento de los transistores, tanto NPN como PNP, en varias configuraciones. Nos centraremos en el estudio de las curvas de salida de los transistores, evaluando las distintas regiones de funcionamiento del mismo. En el segundo apartado de la práctica veremos distintos circuitos de continua con transistores. En particular veremos dos circuitos ampliamente utilizados para polarizar el transistor y un circuito de aplicación del transistor BJT como fuente de corriente (el par diferencial en emisor común). En el último apartado de la práctica se abordará el análisis de circuitos amplificadores de señal con transistor. Se analizarán distintas topologías de amplificadores, calculando en todos los casos los parámetros característicos del amplificador: ganancia de tensión, ganancia de intensidad, impedancia de entrada, impedancia de salida. 1. El transistor en continua. Curvas características 1.1 Transistor NPN en Emisor Común En este apartado obtendremos las curvas características de funcionamiento de un transistor NPN configurado en Emisor Común. En particular evaluaremos el transistor 2n2222 y nos centraremos en la curva característica de salida. La curva característica de salida en una configuración en Emisor Común relaciona la corriente de colector frente a la tensión colector emisor para distintos valores de intensidad de base. Para poder obtener esta gráfica con PSPICE necesitaremos hacer un doble barrido de continua. Considere el circuito de la figura 1. En las opciones de simulación seleccione DC Sweep y habilite tanto el barrido primario como el secundario con los siguientes parámetros: Tipo de análisis Valor inicial Valor final Incremento Primary Sweep V1 Lineal -5V 5V.1V Secondary Sweep I1 Lineal A 1mA 2uA Vdc V1 I1 Adc Figura 1. Transistor NPN en Emisor Común 2
a) Represente la curva de salida del transistor, es decir, represente la corriente de colector en función de V CE. Identifique aproximadamente las distintas zonas de funcionamiento del transistor b) Mediante los cursores, obtenga los siguientes valores: I B I C (Para V CE =2V) F (V CE =2V) I C (V CE =-2V) R (V CE =-2V) 2 ua 4 ua 6 ua 8 ua 1 ma c) Justifique los resultados obtenidos. Coinciden los valores de F y R con lo esperado? 1.2 Transistor NPN en Colector Común En este apartado obtendremos las curvas características de funcionamiento de un transistor NPN (2n2222) configurado en Colector Común. Dibuje en el esquemático de PSPICE el circuito de la figura 2. En las opciones de simulación seleccione DC Sweep y habilite tanto el barrido primario como el secundario con los siguientes parámetros: Tipo de análisis Valor inicial Valor final Incremento Primary Sweep V1 Lineal -5V 5V.1V Secondary Sweep I1 Lineal A 1mA 2uA I1 Adc V1 Vdc Figura 2. Transistor NPN en Colector Común 3
a) Represente la curva de salida del transistor, es decir, represente la corriente de emisor en función de V EC. Identifique aproximadamente las distintas zonas de funcionamiento del transistor. Justifique el signo de la tensión V EC en cada región de funcionamiento. b) Mediante los cursores, obtenga los siguientes valores: I B I E (Para V EC =2V) R (V EC =2V) I E (V EC =-2V) F (V EC =-2V) 2 ua 4 ua 6 ua 8 ua 1 ma c) Justifique los resultados obtenidos. Compare los resultados con los obtenidos en el apartado anterior (apartado 1.1) 1.3 Transistor PNP en Emisor Común Evaluamos en este apartado las curvas características de un transistor PNP. Como referencia tomaremos el transistor 2N297, que es el complementario del 2N2222. Considere el circuito de la figura 3, donde el transistor se encuentra en la configuración Emisor Común. Dibuje el circuito en el esquemático de PSPICE y en las opciones de simulación seleccione DC Sweep, habilitando tanto el barrido primario como el secundario con los parámetros indicados en la siguiente tabla. Tipo de análisis Valor inicial Valor final Incremento Primary Sweep V1 Lineal -5V 5V.1V Secondary Sweep I1 Lineal A 1mA 2uA Q2 V1 I1 Adc Q2N297 Vdc Figura 3. Transistor PNP en Emisor Común 4
a) Represente la curva de salida del transistor, es decir, represente la corriente de colector en función de V CE. Identifique aproximadamente las distintas zonas de funcionamiento del transistor. Justifique el signo de la tensión V CE en cada región de funcionamiento. b) Obtenga los siguientes valores del circuito: I B I C (Para V CE =2V) R (V CE =2V) I C (V CE =-2V) F (V CE =-2V) 2 ua 4 ua 6 ua 8 ua 1 ma c) Justifique los resultados obtenidos. Compare los resultados con los obtenidos en el apartado 1.1 5
2 El transistor en continua. Circuitos de polarización. Abordamos en este apartado el análisis en continua de circuitos con transistores bipolares. En particular analizaremos dos de los circuitos de polarización más ampliamente utilizados y un circuito de aplicación como fuente de corriente. 2.1 Circuito autopolarizado El circuito autopolarizado es, seguramente, el circuito de polarización de transistores más utilizado, ya que con una sola fuente de alimentación consigue una intensidad de base independiente de la intensidad de colector, y por lo tanto, más estable. Considere el circuito de la figura 4. Dibújelo en el esquemático de PSPICE y simúlelo con un análisis en el dominio del tiempo. 2V R1 1k RC R2 RE 3k Figura 4. Circuito de polarización autopolarizado. a) Obtenga las tensiones e intensidades en los componentes del circuito, en especial en el transistor. Rellene la siguiente tabla y determine la región de operación del transistor. I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. 6
b) Cambie la resistencia R2 por una de valor 47". Simule de nuevo el circuito y rellene la siguiente tabla I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. c) Cambie de nuevo la resistencia R2, en este caso por una de valor 47k". Rellene la tabla siguiente. I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. d) Justifique los resultados obtenidos en los apartados anteriores 2.2 Circuito polarizado con diodo zener Considere en este caso el circuito de polarización de continua que se muestra en la figura 5, formado, además de por resistencias y un transistor NPN, por un diodo p-n y un diodo zener. 2V R1 2k2 RC D1N4148 RE 3k D1N75 Figura 5. Circuito de polarización con diodo zener. 7
a) Simule el circuito en el dominio del tiempo y obtenga las tensiones e intensidades de los distintos componentes del circuito. Rellene la siguiente tabla: I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. b) Modifique los valores de las resistencias de colector y de emisor (R C =2k"; R E =1k2"). Simule de nuevo el circuito y rellene la tabla siguiente. Justifique los valores obtenidos, comparándolos con los obtenidos en el punto anterior. I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. c) A la vista de los resultados obtenidos indique las ventajas de este circuito de polarización. 2.3 Par diferencial de transistores con emisor acoplado En esta apartado analizaremos uno de los circuitos de aplicación más utilizados del transistor BJT. Se trata del par diferencial con emisor acoplado, circuito que se utiliza ampliamente en los circuitos integrados, tanto como amplificador como interruptor electrónicamente controlado. Considere el circuito de la figura 6. 2V R1 2k2 RC1 RC2 R3 2k2 Q2 R2 2k2 RE 5k R4 2k2 Figura 6. Par diferencial con emisor acoplado. 8
a) Simule el circuito, obteniendo las tensiones e intensidades en cada uno de los componentes. Rellene la siguiente tabla con los valores más significativos para cada uno de los transistores. Comente los resultados obtenidos. Transistor I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. Transistor Q2 I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. b) Modifique el valor de la resistencia de colector del transistor Q2, asignándole un valor de R C2 =1k". Simule de nuevo el circuito y rellene la tabla siguiente. Transistor I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. Transistor Q2 I BQ I CQ V CEQ V BEQ Reg. Oper. c) Justifique los resultados obtenidos en el apartado anterior. 9
3 Circuitos amplificadores con transistores BJT En este apartado, evaluaremos los transistores BJT en la aplicación en más típica de los mismos en pequeña señal, como parte principal de los circuitos amplificadores. Para ellos, obtendremos tanto las características de continua del transistor, punto de polarización, como las características del amplificador, ganancia de tensión, ganancia de intensidad, impedancia de entrada e impedancia de salida. 3.1 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor totalmente desacoplada El primer amplificador que analizaremos será un amplificador en emisor común con la resistencia de emisor totalmente desacoplada (resistencia de emisor en paralelo con un condensador). La entrada del amplificador es una señal senoidal de 1mV de amplitud y una frecuencia de 1kHz. Se ha añadido una impedancia de generador de 5". En cuanto a la salida del amplificador, se ha supuesto una impedancia de carga de 3.3k". Todos estos datos quedan reflejados en la figura 7. 2V R1 22k RC C2 Rg v in C1 1u vo VOFF = VAMPL = 1m FREQ = 1k vg 5 1u R2 11k RE 5k2 C3 1u RL 3k3 Figura 7. Circuito amplificador en emisor común con R E totalmente desacoplada. Dibuje el circuito en el esquemático de PSPICE y simúlelo, ajustando el tiempo de simulación para que al menos se vean en pantalla 5 periodos de la señal de entrada. Realice los siguientes apartados. 1
a) Obtenga el punto de trabajo del transistor. Rellene la siguiente tabla y compruebe que el BJT se encuentra en activa directa. Justifique el uso de los condensadores de entrada y salida en el amplificador. I BQ I CQ V CEQ V BEQ b) Obtenga la ganancia en tensión del amplificador. Para ello dibuje la tensión de entrada y la de salida del amplificador y obtenga tanto el valor de pico de cada una de ellas. Justifique el signo de la ganancia. " "#$ " c) Obtenga la ganancia de intensidad del amplificador. Para ello dibuje la intensidad entrante al amplificador y la intensidad saliente y obtenga los valores de pico de las mismas. " "#$ " d) Obtenga la impedancia de entrada del amplificador como el cociente entre la tensión de entrada y la corriente de entrada. " " " e) Obtenga la impedancia de salida del amplificador. Para ello aplique el método de la fuente de test, es decir, elimine las fuentes independientes del circuito e inserte en la salida una fuente de test con los mismos parámetros que la fuente de entrada del circuito en la salida del amplificador (eliminando la impedancia de carga). La impedancia de salida se obtiene como el cociente entre la tensión y la intensidad de la fuente de test "# "# "# 11
d) Cambie la amplitud de la fuente de entrada y ponga en este caso.3v. Simule el circuito y represente la tensión de entrada y la de salida. Justifique las formas de onda de las dos tensiones. Obtenga los valores de la tensión de entrada que hacen que la señal de salida entre en corte o en saturación. Determine la máxima amplitud que puede tener la tensión de entrada para que el transistor no se salga de su funcionamiento en activa directa. "#$"#$%"&' "#$"#$% 3.2 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor sin desacoplar En este apartado, calcularemos los parámetros del amplificador en el caso de tener la resistencia de emisor sin desacoplar. El circuito es el mismo que en el caso anterior pero eliminando el condensador de emisor. Se muestra en la figura 8. 2V R1 22k RC C2 Rg v in C1 1u vo 5 1u RL 3k3 VOFF = VAMPL = 1m FREQ = 1k vg R2 11k RE 5k2 Figura 8. Circuito amplificador en emisor común con R E sin desacoplar. 12
Simule el circuito y obtenga los siguientes parámetros: a) Valores de continua del amplificador. Punto de trabajo. Para ello rellene la siguiente tabla: I BQ I CQ V CEQ V BEQ b) Parámetros del amplificador en pequeña señal. Siguiendo el método de cálculo indicado en el apartado anterior, obtenga los distintos parámetros que caracterizan al amplificador: " "#$ " " "#$ " " " " "# "# "# c) Comente las diferencias entre los resultados de este apartado y los obtenidos en el apartado 3.1. Justifique estas diferencias. 13
3.3 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor parcialmente desacoplada Evaluamos el mismo circuito amplificador que en los dos apartados anteriores, pero en este caso la resistencia de emisor está parcialmente desacoplada. El circuito a analizar es el mostrado en la figura 9. 2V R1 22k RC C2 Rg v in C1 1u vo 5 1u RL 3k3 VOFF = VAMPL = 1m FREQ = 1k vg R2 11k RE1 5 RE2 C3 1u Figura 9. Circuito amplificador en emisor común con R E parcialmente desacoplada. Dibuje el circuito y simúlelo. Realice los siguientes apartados. a) Rellene la siguiente tabla y obtenga el punto de trabajo del transistor: I BQ I CQ V CEQ V BEQ b) Obtenga los parámetros característicos del amplificador en pequeña señal. " "#$ " " 14
"#$ " " " " "# "# "# c) Comente las diferencias entre los resultados de este apartado y los obtenidos en los dos apartados anteriores (3.1 y 3.2). Justifique estas diferencias. 3.3 Amplificador en Colector Común En este apartado analizaremos un amplificador basado en transistor bipolar, pero en este caso el transistor se encuentra en una configuración de colector común. El amplificador a simular es el mostrado en la figura 1. 2V R1 27k RC 3k Rg v in C1 5 1u C2 vo VOFF = VAMPL = 1m FREQ = 1k vg R2 1k RE 2k2 1u RL 3k3 Figura 1. Circuito amplificador en colector común 15
Simule el circuito y realice los siguientes apartados: a) Obtenga el punto de trabajo del transistor y rellene la tabla. I BQ I CQ V CEQ V BEQ b) Obtenga los parámetros característicos del amplificador en pequeña señal. " "#$ " " "#$ " " " " "# "# "# c) Justifique los resultados obtenidos. A la vista de los resultados indique en qué casos utilizaría un amplificador en configuración de colector común 16