Amplificadr Jfet Y Bipolar

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Amplificador BJT y FET

Practica 1 Amplificador JFET y Bipolar Resumen En el presente trabajo se reportan los resultados obtenidos en el diseño de un amplificador con transistores bipolares y jfet. En esta práctica se realizaron los cálculos necesarios para que el transistor trabajara en su región activa y además que la ganancia que presentara a la salida con respecto de la entrada fuera igual a 30, posteriormente se corroboraron dichos cálculos mediante la simulación, después de algunas correcciones se procedió a implementar los circuitos correspondientes, una vez implementados dichos circuitos se realizaron las mediciones pertinentes y con base a éstas se compararon los resultados teóricos con los prácticos. Se da por hecho que el lector cuenta con un nivel basico de Electrónica Analógica. Introducción En los albores de la comunicación, el receptor empleaba un pequeño cristal de sulfuro de plomo (galena) que en realidad era un dispositivo de dos terminales, y de aquí el nombre de diodo o receptor de galena, se estableció un contacto eléctrico a través de un alambre de extremo puntiagudo llamado bigote de gato mientras que el otro se estableció a través del cuerpo del material. El diodo de cristal tiene una característica alineal y ofrece una gran resistencia al flujo de electrones que pasa por él en una u otra dirección. Como resultado rectifica o detecta cualquier señal de corriente alterna que se aplica convirtiendo la CA en corriente continua pulsante. En cierto modo el detector de galena, que precedió por muchos años al tubo al vacío y

es un antepasado de los transistores de hoy en día, guarda aproximadamente la misma relación con el transistor que guarda la válvula de dos electrodos de Fleming con los tubos al vacío. La válvula de dos electrodos de Fleming también llamada diodo de bulbo fue introducida por J. A. Flemming en 1904. El tubo de galena y la válvula de Fleming se usaron extensamente durante los primeros tiempos de la radio (1890 a 1920), empleándose como detectores de RF y rectificadores de AC. El desarrollo del tubo al vacío y del transistor siguieron rutas aproximadamente paralelas. El primer dispositivo de valor práctico en ambas familias fue la unidad bielectródica, o diodo. Más tarde se trielectródicos (triodos). Estos, a su vez, fueron seguidos por un gran grupo de dispositivos multielectródicos creados con fines diversos. En la década de 1880 Thomas Alva Edison descubrió un intrigante fenómeno mientras experimentaba con la lampara incandescente; si colocaba un electrodo plaquiforme en el bulbo cerca del filamento y lo conectaba al lado positivo de la fuente de alimentación de CC del filamento, encontraba que fluía una pequeña corriente entre la placa y su conexión hacia el filamento. Esta acción fue llamada efecto de Edison. Este fenómeno tuvo aplicación cuando Fleming desarrolló su válvula en la década de 1890. Esta válvula fue en realidad el primer tubo al vacío. Alrededor de 1906, Lee De Forest añadió un tercer electrodo a este primer tubo al vacío, y al hacerlo inventó el triodo, al cual llamó audión. Este tercer filamento semejante a una rejilla era susceptible de controlar el flujo de electrones que fluía del cátodo a la placa, el triodo podía usarse para amplificar al igual que para detectar señales eléctricas. Los tubos al vacío se multiplicaron rápidamente y en poco 1

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Amplificador BJT y FET tiempo había tubos de tamaños, estilos, y variedades diferentes desde tamaños pequeños como el de un cigarrillo hasta los enormes tubos de potencia del tamaño de un hombre. Fue hasta 1948 que los señores Shockely, Bardeen y Brattaain de los laboratorios de la Bell Telephone Company inventaron un dispositivo de estado sólido capaz de amplificar y de detectar una señal eléctrica. Este dispositivo consistía en una poción de metal cristalino que establecía el debido contacto físico, con contactos eléctricos adicionales establecidos por medio de bigotes de gato muy finos. En este caso, sin embargo se usaban dos bigotes situados uno muy próximo al otro. Físicamente, este amplificador sólido consistía de un pequeño tubo de latón con un enchufe metálico cerca de un extremo y un enchufe aislador situado aproximadamente a la mitad de su longitud. Fijado al enchufe metálico había un pequeño bloque rectangular de aleación de germanio cristalino de aproximadamente 1/20 de pulgada cuadrada, con un grosor de 1/50 de pulgada. Los bigotes de gato que descansaban sobre el bloque estaba a tan sólo unas milésimas de pulgada el uno del otro y estaban adheridos a espigas de metal ligeramente más gruesos, colocados en el enchufe aislador. El nombre para este nuevo dispositivo se acuño procedente de dos palabras que parecían describir su acción: transferencia y resistencia; de aquí el nombre que se le dio, transistor. En 1951, con el desarrollo del transistor de unión, se creó un tipo nuevo de transistor que no utilizaba bigotes de gato, éste se denomino transistor de punto de contacto. Los primeros transistores tenían ciertas características indeseables que los limitaban a la aplicación a circuitos radioeletrónicos. Más sin embargo, el transistor se introdujo en época en la que había cientos de aplicaciones para dispositivos de amplificación (en

radioreceptores, televisores, fonógrafos, y todo tipo de equipos de control. La primera aplicación a escala del transistor se produjo en aparatos compactos de ayuda acústica (para sordos). Pocos años más tarde la Regency División of I.D.E.A., Inc., de Indianapolis, Indiana, lanzó al comercio su famoso radio de bolsillo TR-1 primer radio totalmente transistorizado que se fabricó comercialmente. Al bajar los precios y mejorar las técnicas de fabricación se uso el transistor en otros receptores, radios para automóviles, en televisores y en todo tipo de instrumentos y controles. Hoy en día existen un sin numero de aparatos electrónicos que emplean el transistor en sus circuitos, también existe una gran cantidad y variedad de transistores. A pesar del papel protagonista del transistor, puede ser que este desaparezca como tal debido a los procedimientos de integración, y por si fuera poco el gran avance de la digitación, que dentro de poco evitara los muchos problemas de mantener una señal analógica parecida a la original ya que es mucho más fácil pasarla por dígitos. La importancia de estudio del transistor se ha dejado ver en el empleo que éste tiene en todo el ámbito de la electrónica, de ahí la importancia de estudiar las características de este dispositivo.

Objetivos Configurar en la región activa Un transistor Bipolar npn Un J-FET canal p Obtener las curvas iDS vs. vDS 2

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Amplificador BJT y FET que están ecuaciones.

iDS vs. VGS

dados

por

RC =

VCC − VC IC

Obtener una Ganancia de 30 Medir las frecuencias de corte Inferior

RE =

Superior Comparar los resultados teóricos y prácticos

R1 =

las

siguientes

VE IE Rb

1 − (V BB / VCC )

Aspectos Teóricos TRANSISTOR BJT Polarización transistor npn

R2 = R B universal

de

un

VCC V BB

R B = R1 || R 2 y las ecuaciones para la polarización son:

IC =

V BB − v BE RE + RB / β )

IC = β I B IC = I E y una consideración para minimizar el efecto de las variaciones de hfe en la ganancia total es : Para la configuración anterior (también llamada polarización divisor de voltaje) los valores de las resistencia determinan del punto de operación para el transistor. Al proponerse el punto de operación se toman en cuenta algunos criterios de diseño como VCE=VCC/2 (maxima variación simetrica), Rb=βRe/10 (minimizar los efectos de las variaciones de β), etc., y posteriormente los valores de las resistencia

RB =

βR E 10

Para máxima variación simetrica se elige Vce igual a la mitad de Vcc. Con estas ecuaciones se resuelve el circuito de polarización.

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Amplificador BJT y FET Amplificador BJT emisor común El circuito siguiente:

amplificador

elegido

es

el

hie = h fe

VT I CQ

con VT = 25 milivolts TRANSISTOR FET Circuito de autopolarización para transistor FET

El modelo en ac de este circuito en baja señal es :

Y resolviendo el circuito para baja señal, la ganancia de voltaje esta dada aproximadamente por :

Los parámetros de un FET suficientes para el análisis aproximado son VP e IDSS que son característicos de cada transistor FET. Para esta configuración se requiere de las siguientes ecuaciones:

Av = (RL || Rc || 1/ hoe )/Re

IG = 0A Y su impedancia de entrada se modifica a : hie’ = hie + hfe (Re ) es decir, la incrementa.

ID = IS

 V I D = I DSS 1 − GS VP 

  

2

VGS = − I D R S

Para conocer hie nos basamos en la siguiente aproximación: 4

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Amplificador BJT y FET y un criterio de diseño para una buena variación simétrica es que VGSQ sea igual a un medio de VP. Con esto IDQ es igual a un cuarto de IDSS. De acuerdo con esto se eligen los valores de RS y RD. Amplificador FET fuente resistencia en el emisor

común

con

y del circuito se puede ver que:

AV = R D || R L || (1 / hoe ) donde hoe es la admitancia de salida. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Diseño

El circuito amplificador es el siguiente:

De acuerdo con los circuitos analizados en la parte de aspectos teóricos, para obtener ganancia de treinta y tener máxima variación simétrica los valores calculados son los siguientes: BJT Los datos que tenemos son: hfe = 240 Av = 30 Re = 80 ohms

Y su modelo en ac es el siguiente:

Las ecuaciones necesarias para obtener la ganancia es:

g mo =

Debido a diferentes consideraciones de diseño y la necesidad de probar con distintos valores de los parámetros de polarización realizamos un programa en MATLAB para obtener los parámetros desconocidos a partir de los conocidos o elegidos, este programa tiene las criterios de diseño antes mencionados para máxima variación simétrica y minima dependencia de la ganancia de las variaciones de beta. Este programa también nos da la grafica de la recta de ac y de dc.

2 I DSS VP

 V g m = g mo 1 − GS VP 

   5

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Amplificador BJT y FET Programa en MATLAB

Dame el valor de Vcc 12

clear

Vcc = 12

Vcc=input('Dame el valor de Vcc ') beta = %beta=input('Dame el valor de beta ') beta=240

240 Dame el valor de Rc 3.26e3 Rc = 3260

Rc=input('Dame el valor de Rc ') Re=input('Dame el valor de Re ') Rl=input('Dame el valor de Rl ')

Dame el valor de Re 78.7 Re =

punto=input('Punto de Vce ')

78.7000

Vce=punto*Vcc

Dame el valor de Rl 89.2e3

%Re=Rc/4

Rl = 89200

Rb= beta*Re/10; Icq=Vcc/((2*(Re+Rc)))

Punto de VCE .5

Vbb=Icq*((Rb/beta)+Re)+.7

punto = 0.5000

R1=Vcc*Rb/Vbb R2=(Vbb*R1)/(Vcc-Vbb)

VCE= 6

Rlp=Rc*Rl/(Rc+Rl) Av=((Rc*Rl)/(Rc+Rl))/(25e-3/Icq) hold on X=(0:Vcc/100:Vcc); Y=(Vcc/(Rc+Re):-(Vcc/(Rc+Re))/100:0); plot(X,Y); Yac=(Icq+(Vce/Rlp):(Icq+(Vce/Rlp))/100:0); Xac=(0:(Vce+(Icq*Rlp))/100:Vce+(Icq*R lp)); plot(Xac,Yac);

ICQ = 0.0018 VBB = 0.8556 R1 = 2.6492e+004 R2 = 2.0338e+003

6

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Amplificador BJT y FET La grafica generada por el programa MATLAB es:

Al igual que en el BJT realizamos un programa en MATLAB para poder estar cambiando los valores de los parámetro y diseñar de acuerdo a ciertas consideraciones. Para el FET las consideraciones son que VGSQ sea un medio de VP lo que nos lleva a una IDSS de un cuarto. El programa es el siguiente: close VGS=0:.1:2.8; VP=input('Dame VP ') IDSS=input('Dame IDSS ') ID=IDSS.*(1-(VGS/VP)).^2

Recta de carga dc y ac

VGSQ=VP/2 IDSSQ=IDSS/4

En donde se ve el punto común de las rectas de ac y dc así como el punto de operación.

plot(VGS,ID)

Entonces el circuito es el siguiente:

grid on

axis([0 2.8 0 3.5e-3]) zoom on Dame VP 2.8 VP = 2.8000 Dame IDSS 3.2e-3

AMPLIFICADOR DISEÑADO BJT

FET:

IDSS = 0.0032

Los datos que tenemos son: Vp = 2.8 v IDSS = 3.2 mA

VGSQ = 1.4000

Av = 30 IDSSQ = 8.0000e-004 7

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Amplificador BJT y FET y la grafica generada es:

1 resistor de 1 Mohm 1 protoboard Equipo 1 generador de señales ancho de banda 2 megahertz 1 osciloscopio (Zi de 1megaohm) 1 fuente de CD digital (0 – 40 volts , 3 A) 1 computadora portátil IBM Think Pad. Software Microsim Pspice versión 8

Recta de carga dc

El circuito diseñado es: Recordar que es un fet de canal P, por eso VP es positivo. Aunque en el diagrama se ve un transistor FET de canal N.

Matlab 5.3 Entonces armamos los circuitos diseñados y verificamos que trabajen en la región activa y que los valores de ganancia medididos se acerquen a los del diseño. A continuación se muestran los resultados obtenidos. Resultados BJT

AMPLIFICADOR DISEÑADO FET

Para la implementación de la práctica se utilizó lo siguiente: Material 1 transistor BJT matrícula BC547 npn 1 transistor JFET matrícula 2n5460 canal P 1 resistor 3.3 kohm

Los valores de CD obtenidos al armar el circuito fueron:

1 resistor 27 kohm

VCEQ = 5 .83 volts

1 resistor 1.9 kohm

ICQ = 1.877 mA

1 resistor 3.6 kohm

VEQ = .145 volts

1 resistor 31.5 kohm

VCQ = 5.93 volts

8

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Las mediciones de la ganancia amplificador a una frecuencia media es:

del

Av = 31.3 En la tabla 1 se encuentran las mediciones de la variación de la ganancia con la frecuencia. A partir de esta frecuencia (100 hertz) la ganancia en voltaje se mantiene estable a pesar de aumentar la frecuencia hasta los siguientes valores:

Tabla 1b

La grafica de estas tablas es la siguiente: 35 30

Ganacia

25 20 15 10 5 0 1

10

100

1000

10000

100000

1000000 10000000

Frecuencia

Grafica de la respuesta en frecuencia medida del amplificador BJT

Podemos observar que las frecuencias de corte son: •

Frecuencia de corte inferior 9 Hz.

Frecuencia de corte superior 642 kHz

Tabla 1

9

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Amplificador BJT y FET FET:

Los valores de CD obtenidos al armar el circuito amplificador FET fueron: VGSQ = 1 .3 volts IDQ = .65 mA En la tabla 2 se muestran las mediciones realizadas para ver la respuesta en frecuencia del amplificador FET diseñado. Podemos observar que las frecuencias de corte son: •

Frecuencia de corte inferior 22 Hz.

Frecuencia de corte superior 65 kHz Ancho de Banda

40.00 35.00 30.00

Ganancia

25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 10.00

100.00

1,000.00

10,000.00

100,000.00

1,000,000.00

Frecuencia

Grafica de la respuesta en frecuencia medida del amplificador FET

Tabla 2

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Amplificador BJT y FET SIMULACIONES

Saturación:

A continuación se muestran una serie de simulaciones que ayudaron a entender el efecto de las variaciones de los capacitores de acoplamiento y comparar los modelos equivalentes de los amplificadores diseñados. AMPLIFICADOR BJT

Variación de la amplitud de la de entrada (de 10mV a 320mV)

Circuito amplificador BJT

Amplificación:

En esta simulación se observa el valor máximo de entrada para el circuito diseñado, ya que la entrada se varía hasta observar la saturación, el valor máximo obtenido es cercano a los 190 milivolts, es decir que nuestro diseño esta muy cercano a la máxima variación simétrica ya que 30*190mV = 5.8 volts y el voltaje de polarización es 12 y el máximo valor que se obtendría sería 6 volts. Respuesta en frecuencia del amplificador BJT:

Respuesta en frecuencia

Esta simulación nos muestra la amplificación de una señal senoidal con el amplificador BJT diseñado, se puede observar una ganancia de 32, muy cercana a la esperada que es de 30. La señal de entrada es de 10 mV de amplitud y la señal obtenida es de aproximadamente 319 mV. La frecuencia a la que se simuló es de 10 KHZ.

Frecuencia de corte superior BJT

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Frecuencia de corte inferior BJT

En las anteriores simulaciones se observa el ancho de banda de el amplificador BJT simulado, que es de aproximadamente 19 Megahertz, aunque difiere de el nuestro debido a la diferencia entre las capacitancias internas de los transistores Se muestran también los puntos en donde decae 3 dB la ganancia de la simulación, es decir las frecuencias de corte que son: Frecuencia de corte inferior: 9.19 Hz Frecuencia de corte superior: 17.9 MHz

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Efectos de la variación del capacitor de salida (1p, 10p, 100p, 1n, 10n, 100n, 1u, 10u, 100u) Para buscar el polo de orden inferior analizamos el efecto de la variación de los capacitores de acoplamiento que son mayores que los de las uniones (que son del orden de picofaradios), como se puede observar el que afecta mas es el capacitor de entrada, el capacitor de salida lo variamos en un rango mayor para poder ver algun efecto. Modelo equivalente del amplificador BJT sin capacitancias en las uniones:

Polo de orden inferior:

Modelo equivalente en ac del amplificador BJT

Efectos de la variación del capacitor de entrada (5u, ,15u, 25u, 35u, 45u, 55u)

En este modelo se puede observar el efecto de la resistencia en el emisor que incrementa la impedancia de entrada proporcionalmente a la ganancia del transmisor y el valor de Re, tambien tiene un efecto en la impedancia de salida aunque un poco menor, así como en la ganancia.

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Amplificador BJT y FET Amplificación:

Modelo equivalente del amplificador BJT con capacitancias parásitas:

Modelo equivalente en ac del amplificador BJT con capacitancia entre las uniones. Simulación del modelo equivalente del amplificador BJT sin capacitancias entre las uniones (fo=10k) En esta simulación se observa la amplificación del modelo equivalente, que es mayor a la del transistor simulado y la obtenida en el circuito armado. La ganancia de este simulación es de aproximadamente de 36. Respuesta en frecuencia del equivalente del amplificador BJT :

modelo

Respuesta en frecuencia del modelo equivalente de ac del amplificador BJT sin capacitancia entre las uniones

Al observar que con el modelo sin capacitancias entre las uniones no se puede observar el polo de orden superior, quisimos agregar estas capacitancias de acuerdo con los valores del manual, y analizar los resultados. Respuesta en frecuencia del modelo equivalente del amplificador BJT con capacitancias entre las uniones:

Respuesta en frecuencia del equivalente del amplificador BJT considerando la capacitancia entre las uniones.

En esta simulación se puede observar como el modelo equivalente para el amplificador esta limitado, ya que no se puede observar el polo de orden superior, esto incrementa la sospecha de que el polo de orden superior esta determinado por las capacitancias internas del transistor que existe entre las uniones.

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Amplificador BJT y FET Frecuencia de corte superior del modelo equivalente del amplificador BJT con capacitancias parásitas

Amplificación:

Simulación amplificador J-FET (fo=10k) Saturación: Esta simulación nos permite comprobar la hipótesis de que el polo de orden superior esta ligado con las capacitancias internas del transistor. Se observa las frecuencias de corte inferior y las de orden superior que son de: Frecuencia de corte inferior: 9.27 Hz Frecuencia de corte superior:14.5 MHz AMPLIFICADOR FET

Variación de la amplitud de la señal de entrada (de 10mV a 410mV) Respuesta en frecuencia del amplificador JFET

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Frecuencia de corte inferior amplificador JFET

Modelo equivalente JFET

Frecuencia de corte superior amplificador JFET

Como se puede observar el ancho de banda es mucho menor, debido al capacitor en RS.

Simulación del modelo amplificador JFET sin capacitancias (fo=10k)

Polo inferior: Efectos de la variación del capacitor de entrada y salida

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Amplificador BJT y FET Respuesta en frecuencia del amplificador JFET sin capacitancias

modelo

Frecuencia de corte superior modelo equivalente JFET con capacitancias

Modelo equivalente JFET con capacitancias

Respuesta en frecuencia del modelo amplificador JFET con capacitancias

Frecuencia de corte inferior modelo equivalente JFET con capacitancias

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Amplificador BJT y FET Conclusiones: Al finalizar la práctica podemos concluir lo siguiente: *El modelo eléctrico del transistor BJT y JFET a baja señal no permite encontrar el polo de orden superior generado por las capacitancias entre las uniones de estos transistores, que son del orden de picofaradios (10-12). *La razón por la cual las capacitancias en las dos uniones no son iguales, se debe a que una esta polarizada directamente y la otra inversamente, entonces como la capacitancia esta relacionada con la distancia entre las placas del capacitor (inversamente proporcional) y sabemos que esta distancia crece con la polarización inversa y disminuye con la polarización directa, la capacitancia es mayor en las uniones polarizadas directamente que en las que lo estan inversamente. *Para el diseño de un amplificador se parte de las requerimientos de ac (como la ganancia de voltaje, corriente ó potencia) y de acuerdo con esto se eligen los valor de los parámetros de polarización (dc).

Referencias: [1] Schilling – Belove, Electronic Circuits: Discrete and integrated, McGraw-Hill, First

Edition 1968, pág. 88 “The basic amplifier”, pág. Pág. 101 “The ac load line”, pág. 186 The hybrid parameters”.

[2] Alvarez – Fleckles, Introduction to electron devices, McGraw-Hill, Second Edition 1974, pág. 199 “Field-effect transistors”.

[3] Robert L. Boylestad – Louis Nashelsky, Eelectrónica: Teoria de circuitos, Prentice Hall, Sexta edición 1997, pág. 416 “Modelo de pequeña señal del FET” , pág. 426 “Configuración de autopolarización para el FET”. [4] Louis E. Garner Jr. , Transistores – curso básico, Minerva, Primera edición 1966, pág. 9

*Es muy importante saber elegir diversas configuraciones de amplificadores para poder elegir el adecuado de a cuerdo con las características, nuestros diseños requirieron para BJT cambiar impedancia de entrada por disminución en la ganancia y asi obtenerla de 30. *Para el diseño en máxima variación simétrica es muy importante calcular la carga de ac y de acuerdo con esta también tomar algunos criterios para elegir los valores de los parámetros. 17

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ANEXOS

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