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Academic year: 2021

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Análisis Del Transistor BJT En Pequeña Señal ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

ÁREA: INFORMÁTICA INDUSTRIAL

ASIGNATURA: LABORATORIO DE ELECTRÓNICA I PRÁCTICA 4

ANÁLISIS DEL TRANSISTOR BJT EN PEQUEÑA SEÑAL

**** Lea completamente esta guía antes de realizar la práctica ****

1. OBJETIVOS

 Analizar el comportamiento del transistor BJT en circuitos excitados por una señal de corriente alterna a frecuencias medias.

 Identificar las tres posibles configuraciones del transistor: emisor común, base común y colector común.

 A partir de las mediciones obtenidas, determinar las impedancias de entrada y de salida, al igual que la amplificación de voltaje y corriente y la máxima excursión de señal.

2. EQUIPOS Y MATERIALES Suministrados por el laboratorio

 1 Osciloscopio de dos canales.  1 Fuente de DC.

 1 Generador de señales.  1 Multímetro.

Suministrados por el estudiante

 1 Transistor npn escogido por el estudiante.  Resistencias según los diseños.

 Condensadores de 10uF o valores similares.

 Puntas de fuente (Caimanes), pinzas, pelacables, protoboard, cables para protoboard.

3. INFORMACIÓN PREVIA

El transistor es considerado un componente electrónico activo, pues el nivel de salida de AC es mayor que el de entrada. Esto se debe a la transferencia de energía proporcionada por las fuentes DC aplicadas al circuito, las cuales son responsables del punto operación, tal como se pudo verificar a través de la práctica de laboratorio anterior. Sin embargo, es necesario complementar este análisis con el de AC, que, gracias a la aplicabilidad del teorema de superposición, puede hacerse separadamente del análisis DC. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la selección de los parámetros para los niveles de DC requeridos afectarán la respuesta de AC y viceversa.

El primer paso para el análisis en AC es buscar un modelo del transistor. Este modelo es una combinación de elementos circuitales seleccionados adecuadamente, de tal forma que en conjunto se aproximan al comportamiento real del transistor. Una vez determinado el circuito equivalente en AC, se sustituye en el esquema el símbolo del transistor por el modelo, y, de ahí en adelante, se convierte en un análisis de circuitos eléctricos.

3.1 MODELOS DEL TRANSISTOR.

Hay dos modelos del transistor muy usados: el modelo híbrido y un modelo derivado directamente de las condiciones de operación del transistor, el modelo re. El modelo híbrido adolece de estar limitado a un conjunto particular de condiciones de operación para que sea preciso, mientras que los parámetros del modelo re pueden determinarse para cualquier región de operación dentro de la región activa, y no están limitados a un solo grupo de parámetros incluidos en las hojas de especificaciones. Sin embargo, el modelo re carece de un parámetro que represente la impedancia de salida ó, el efecto de retroalimentación de la salida a la entrada.

(2)

Análisis Del Transistor BJT En Pequeña Señal 3.1.1 MODELO EQUIVALENTE HÍBRIDO

Para el modelo híbrido de un transistor cualquiera se definen los parámetros en un punto de operación que puede o no reflejar las condiciones de operación reales del circuito amplificador, esto se debe al hecho de que las hojas de especificaciones no pueden proporcionar los parámetros para un circuito equivalente para cualquier punto de operación posible. El modelo híbrido se presenta en la gráfica 1 y, como ejemplo, en la tabla 1 se presentan los parámetros híbridos para el transistor 2N3904, que fueron tomados de su hoja de especificaciones. Estos valores corresponden a una corriente de colector de DC de 1mA, un voltaje de colector a emisor de 10V y una frecuencia de la señal de entrada de 1kHz.

Min Máx Unidades

Impedancia de entrada hie 1 10 k Transferencia inversa de voltaje hre 0.5 8 x 10-4

Ganancia de corriente hfe 100 400

Admitancia de salida hoe 1.0 40 1S Tabla 1. Parámetros híbridos para un transistor 2N3904

A veces es necesario convertir los parámetros de un transistor de una configuración a otra. Generalmente los fabricantes especifican los cuatro parámetros híbridos en emisor común. En la tabla 2 se presentan las fórmulas de conversión aproximadas entre parámetros híbridos para pasar de una configuración en emisor común (EC), a colector común (CC) en la primera columna, y a base común (BC) en la segunda.

Emisor común a colector común Emisor común a base común

h

ic

h

ie

h

h

h

ib ie fe

1

h

fc

 

(

1

h

fe

)

h

h

h

rb fe fe

 

1

h

rc

1

h

h h

h

h

rb ie oe fe re

.

1

h

oc

h

oe

h

h

h

ob oe fe

1

Tabla2. Formulas de conversión de para los parámetros híbridos

3.1.2 MODELO re

El modelo re emplea un diodo y una fuente controlada de corriente para duplicar el comportamiento de un transistor en la región de interés. Se debe tener en cuenta que la resistencia de cada diodo puede determinarse mediante la ecuación

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Análisis Del Transistor BJT En Pequeña Señal

r

e

26

mV

/

I

D , donde

I

D es la corriente de DC a través del diodo en el punto de operación estático, por tanto, para el éste modelo se cumple que

r

mV

I

e

E

26

.

Por otra parte, el parámetro  se relaciona con la ganancia de corriente  mediante la ecuación:

1

Los modelos para las tres configuraciones vienen dados a continuación.

En este modelo la fuente de corriente relaciona la corriente del terminal de entrada con el de salida. Para el caso de la Figura 3, que corresponde a una configuración EC en donde el terminal de entrada es la base y el de salida es el colector; la fuente de corriente relaciona las corrientes por éstos terminales.

Para la configuración colector común normalmente se aplica el modelo definido para la configuración de emisor común, en lugar de definir un modelo propio así:

3.2 CONFIGURACIONES DEL TRANSISTOR 3.2.1 EMISOR COMÚN

La configuración emisor común es la más utilizada en etapas transistorizadas. En esta configuración la señal de entrada ingresa por la terminal de base y la salida (carga) está conectada a la terminal de colector.

Es importante resaltar que el terminal de colector nunca se usa como entrada, así como el terminal de base, nunca se usa como salida.

Las características más relevantes de la configuración emisor común son: - Ganancia de corriente: alta

- Ganancia de voltaje: alta - Ganancia de potencia: alta

- Impedancia de entrada: media (500 a 5K ) - Impedancia de salida: media (30K a 80K )

(4)

Análisis Del Transistor BJT En Pequeña Señal Estas características sin embargo están relacionadas con los valores elegidos para los componentes del circuito, por lo que deben elegirse de tal manera que la etapa conserve sus características eléctricas.

Hay dos tipos de configuración emisor común: sin resistencia de emisor y con resistencia de emisor, tal como se muestra en las figuras 5 y 6, respectivamente.

0 0

R2

Vcc

Vi

R1

RL

Rc

0

Vo

Re

0

Fig 5. Configuración de emisor común sin resistencia de emisor

Fig 6. Configuración de emisor común con resistencia de emisor

3.2.2 CONFIGURACIÓN EN COLECTOR COMÚN

Para este tipo de configuración la entrada de la señal se aplica a la base, la señal de salida se obtiene del emisor y el colector es común a los terminales de entrada y de salida, tal como se muestra en la figura 7. Las características principales de éste tipo de configuración son:

- Impedancia de entrada alta. - Impedancia de salida baja.

- Ganancia de voltaje un poco menor que la unidad. - Ganancia de corriente alta (aproximadamente hfe).

Vo

0 0

Vi

Vcc

Re

Rb

RL

Fig 7. Configuración en colector común C1

C2 C2 C1

(5)

Análisis Del Transistor BJT En Pequeña Señal 3.2.3 CONFIGURACIÓN EN BASE COMÚN

En la configuración base común de la figura 8 la señal de entrada se aplica al emisor y la señal de salida se obtiene del colector, siendo la base el terminal común a los circuitos de entrada y de salida. Las características principales de esta configuración son:

- Baja impedancia de entrada. - Impedancia de salida alta.

- Ganancia de corriente menor que la unidad. - Ganancia de voltaje alta.

- Ganancia de potencia alta.

Re

RL

0

Vi

Rb

0

Rc

Vo

0

Vcc

Fig 8. Configuración en base común

4. CÁLCULOS PREVIOS (Pre Informe)

A continuación se indican los puntos que obligatoriamente deben aparecer en el informe junto con el valor de cada uno de ellos.

4.1. Utilizando una fuente de alimentación de 20V y un Vce de 10 V y una RL = 10KΩ realice los siguientes

diseños: (1,4)

a) Para la figura 5 y 6 encuentre los valores de resistencia para que la corriente de colector sea 10mA. b) Para la figura 7 encuentre los valores de resistencia para que la corriente de colector sea 1mA. c) Para la figura 8 encuentre los valores de resistencia para que la corriente de colector sea 1mA.

4.2. Para cada uno de los circuitos calcule los valores de la impedancia de entrada, la impedancia de salida, la ganancia de corriente, la ganancia de voltaje y la máxima excursión de señal. (1,4)

4.3. Investigue cómo se pueden medir de manera experimental la impedancia de entrada, la impedancia de salida, la ganancia de voltaje y la ganancia de corriente. (0,8)

4.4. Simule los anteriores circuitos usando el software de simulación de su preferencia. Indique cual fue el software utilizado. (1,4)

5. PROCEDIMIENTO

Para poder acceder a la práctica es necesario presentar los montaje acompañados de los cálculos de los componentes pasivos solicitados (Preinforme) y las tablas que se van a llenar en cada uno de los juntos del procedimiento.

Para cada uno de los circuitos de las figuras 5, 6, 7 y 8 realice lo siguiente: - Energice el circuito.

- Compruebe el punto de operación del transistor y anote los resultados.

- Mida la impedancia de entrada, la impedancia de salida, la ganancia de voltaje y la ganancia de corriente de todas las configuraciones.

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Análisis Del Transistor BJT En Pequeña Señal

6. INFORME

Nota. Tenga en cuenta que lo más importante en un informe es la construcción de conocimiento que usted realiza al contrastar y analizar el por qué de las similitudes/diferencias de los resultados teóricos, simulados y prácticos que deben aparecer después de la presentación de los mismos , en forma resumida, en las conclusiones. Verifique la realización de cada uno de los puntos indicados en esta guía tanto en el pre-informe como en el informe.

a. Compare los resultados obtenidos en el punto anterior con los resultados obtenidos mediante simulación y los obtenidos en la práctica. (Analice, compare y explique el porqué de las diferencias). (2.0)

b. Desarrolle los siguientes puntos: (2.0)

b.1 Investigue acerca del amplificador diferencial, como esta formado, posibles formas de polarización, parámetros en modo común, modo simple o modo diferencial y aplicaciones. Explique el término razón de rechazo en modo común.

b.2 De acuerdo con sus características mencionadas y los resultados obtenidos mencione las aplicaciones de cada una de las tres configuraciones estudiadas (EC, CC y BC).

b.3 Explique la utilidad, ventajas y/o desventajas de los diferentes amplificadores en cascada formados por la combinación de las tres diferentes configuraciones, EC, BC y CC (Es decir, amplificadores formados por etapas EC y CC, o dos en EC, o BC y CC, etc.).

b.4 Si se reemplaza el transistor por uno de tipo pnp ¿que cambios, si es que los hay, habría que hacerle al circuito en emisor común para que la respuesta sea forma similar a la obtenida por el transistor npn? c. Conclusiones (y sugerencias si usted lo desea). (1.0)

7. METODOLOGÍA

 Los montajes y el pre-informe debe presentarse el día de la sesión.

 En el pre-informe deben estar consignadas las tablas necesarias para realizar las tomas de datos durante la práctica y debe ser entregado al final de la misma.

 El pre-informe y el informe debe tener muy buena presentación (de preferencia en computador) y si necesitan incluir cálculos realizados a mano, éstos deben ir consignados como anexos en hojas iguales a las del resto del pre-informe. Lo anterior buscando fomentar una cultura de buena presentación de los trabajos realizados así como el orden en los mismos.

 El informe debe ser entregado el día en que está programada la siguiente práctica, y es indispensable para su calificación que se hallan sustentado los resultados en clase del procedimiento. En caso que no alcance a realizar en clase todos los puntos, debe buscar un espacio extra-clase para terminar el procedimiento y para sustentarlos ante la profesora.

 La asistencia a las sesiones de laboratorio son obligatorias, y por tanto, sólo los estudiantes que hayan asistido a la sesión práctica tienen derecho a obtener una nota por la misma. La evaluación de la práctica se basará en los siguientes ítems:

o Calidad del pre-informe (presentación y contenido) y Montajes. (30%) o Calidad del informe (presentación y contenido). (70%)

8. BIBLIOGRAFÍA.

1. Electrónica. Teoría de circuitos.

BOYLESTAD Nashelsky. Quinta edición. Prentice Hall. México 1994. 2. Electrónica integrada. Circuitos y Sistemas Analógicos y Digitales.

Referencias

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