L ABORATORIO DE E LECTRÓNICA
Circuitos con transistores
José Luis Rodríguez Marrero
Agosto 2021
jlr marrero, electrónica, agosto 2021 1
Este manual es una guía para uso directo en el laboratorio y no un sustituto de un buen libro de laboratorio.
Muchos ejercicios de laboratorio de este manual son una adaptación de algunos ejercicios del libro:
T.C. Hayes, P. Horowitz Student Manual for the Art of Electronics. Cambridge Univ. Press. 1989.
Este excelente libro es muy recomendable porque contiene muchos detalles teórico-prácticos, tanto de electrónica analógica como digital, que se han omitido en esta traducción. Imbatible para el trabajo de laboratorio.
Existe una nueva edición del libro de laboratorio, mucho más extensa (pero no mejor):
T.C. Hayes, P. Horowitz Learning the Art of Electronics. Cambridge Univ. Press. 2016.
También son muy recomendables los libros de electrónica de Horowitz-Hill siguientes:
P. Horowitz, W. Hill, “ The Art of Electronics", 2nd edition, Cambridge University Press, 1989. Este libro cubre mucho más de lo que se estudiará en este curso. Será muy útil para aquellos alumnos que sigan estudiando electrónica en cursos posteriores. Un libro para el lector inteligente.
P. Horowitz, W. Hill, “ The Art of Electronics", 3rd edition, Cambridge University Press, 2015. Esta edición es aún mejor que la edición anterior, con mucho más material (y algunas omisiones). No se vaya a la cama sin leer alguna página de este libro. Inmenso!
Índice general
1. Transistor bipolar I 3
1.1. Polarización de un transistor con una fuente de alimentación . . . 3
1.2. Seguidor . . . 4
1.3. Emisor común . . . 4
1.4. Buffer . . . 5
2. Transistor bipolar II 6 2.1. Diseño de un amplificador multietapa. . . 6
2.1.1. Medidas y documentación. Informe preliminar de laboratorio . . . 7
2.2. Amplificador diferencial . . . 7
2.3. Respuesta en frecuencia: efecto Miller . . . 8
2.4. Realimentación negativa . . . 10
2.5. Diseño de un amplificador realimentado . . . 11
2.5.1. Medidas y documentación. Informe final de laboratorio . . . 11
2
Laboratorio 1
Transistor bipolar I
Estos ejercicios sirven de introducción a los circuitos amplificadores con transistores bipolares. Los objetivos son familiarizar al alumno con técnicas de medida, aprender a manejar con soltura los instrumentos típicos de un laboratorio de electrónica y conocer las propiedades de las etapas básicas de amplificación. Estas etapas son la base del diseño de circuitos más complejos.
Aunque la mayoría de los diseños que uno haga en el futuro se basarán en el uso de circuitos integrados, el conocimiento del funcionamiento de los circuitos con transistores nos permite entender mejor los modernos diseños de circuitos integrados y obtener de ellos el máximo rendimiento.
En este laboratorio usaremos los transistores 2N3904 (NPN) y 2N3906 (PNP), o equivalentes.
1.1. Polarización de un transistor con una fuente de alimentación
El circuito de la figura muestra el esquema general de polarización de un transistor bipolar usando una única fuente de alimentación. (Las dos resistencias del emisor se podrían sustituir por una única resistencia de1 kΩ.) El divisor de tensión polariza la base del transistor.
+15 V
10 k
82 k 6.8 k
820 180
1 k
1. La resistencia del emisor es necesaria para estabilizar el punto de trabajo del transistor. ¿Puede dar argumen- tos sencillos que prueben esta afirmación?
2. Para ver la estabilidad de la polarización mida la tensión de colector y cambie la temperatura del transistor sujetándolo con la mano. ¿Qué observa?
3
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1.2. Seguidor
La figura muestra el circuito del apartado anterior acoplado capacitivamente a un generador de señal y con salida de señal en el emisor. Este circuito se denomina seguidor. El acoplamiento de la señal de entrada no cambia la polarización del transistor.1
1. Mida su ganancia y compruebe que obtiene lo esperado.
2. Mida la resistencia de entrada y la frecuencia de corte inferior del circuito.
3. ¿Qué resistencia de salida tiene el circuito? Mídala usando una resistencia y un condensador de bloqueo.
¿Por qué es necesario el condensador de bloqueo?
4. ¿Qué cambios hay que hacer en el circuito para centrar el punto de trabajo?
+15 V
10 k
82 k 6.8 k
vi +
820 180 1µF
vo1
1.3. Emisor común
Si tomamos la salida en el colector del transistor del circuito anterior, conseguimos una ganancia de tensión mayor de la unidad. Esto se ilustra en la figura siguiente (con el interruptorS abierto).
1. ¿Por qué es mayor la ganancia de tensión ahora si la corriente de colector no ha cambiado?
2. ¿Qué cambios tienen lugar en la corriente de colector del transistor si cerramos el interruptor? ¿Qué conse- cuencias tiene en la ganancia?
3. Mida la resistencia de salida conectando una carga resistiva con un condensador de bloqueo. Este condensa- dor es necesario para evitar modificar el punto de trabajo del transistor.
Cerrar el interruptor presenta dos desventajas: menores margen dinámico y resistencia de entrada. Se deno- mina margen dinámico de entrada al margen de valores de la amplitud de la señal de entrada sin distorsión a la salida. Hay dos tipos de distorsión que podemos observar en estos circuitos: distorsión blanda y distorsión dura.
Ambas son debidas a características no lineales de los transistores. La primera aparece cuando el nivel de señal usado hace que el modelo lineal del transistor en modo activo no sea válido. La distorsión dura es debida a que el transistor cambia de modo de funcionamiento, bien porque entra en corte o en saturación.
La distorsión dura es muy fácil de ver: las señales se recortan de forma ostensible. En cambio, no es fácil detectar la distorsión blanda observando las formas de onda en el osciloscopio si usamos señales senoidales porque
1La polarización del seguidor no es óptima porque el nivel medio de la tensión de salida no está centrado. Además, la resistencia de colector es innecesaria si se usa como circuito seguidor.
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+15 V
10 k
82 k 6.8 k
vi
vo2
22µF +
+ 820
180 1µF
S
los cambios en esta forma de onda son muy suaves. Por este motivo debe usar una señal triangular cuando quiera observar la distorsión blanda, o quiera asegurarse de que no la hay.
Aplique una señal triangular de5 kHz y de pequeña amplitud, de modo que el transistor funcione en régimen lineal. Aumente la amplitud hasta que casi se produzca un recorte en la onda de salida. ¿Es la señal de salida una réplica de la señal de entrada? ¿Por qué?
1.4. Buffer
El seguidor del circuito de la figura se suele usar como etapa buffer. Un buffer es un circuito que se pone entre otros dos para sacar el mejor rendimiento a ambos. En este caso, el buffer es un seguidor que se emplea para bajar la resistencia de salida de una etapa amplificadora. Aunque no aporta ganancia, la ganancia global de un amplificador multietapa mejora porque adapta los niveles de impedancia entre las diferentes etapas.
R
Diseñe el circuito buffer para una corriente de colector de ≈10 mA.
1. Conecte el circuito de la figura a la salida de la etapa anterior. Piense cuidadosamente en el acoplamiento y la polarización.2
2. Mida ahora la resistencia de salida usando una señal de entrada de pequeña amplitud.
3. ¿Se modifica la ganancia del amplificador formado por las dos etapas? Mídala.
2Es posible que se observen oscilaciones parásitas de muy alta frecuencia. Estas oscilaciones son debidas a la existencia de realimentación positiva entre el colector y la base del transistor por capacidades parásitas en el transistor y porque la fuente de alimentación es ruidosa. Para eliminarlas pruebe a desacoplar la fuente de alimentación poniendo un condensador cerámico de 0.01 − 0.1 µF entre el colector y tierra.
Laboratorio 2
Transistor bipolar II
2.1. Diseño de un amplificador multietapa.
La figura muestra un amplificador de dos etapas en emisor común acopladas directamente. El acoplamiento directo simplifica el circuito. Ambas etapas usan un condensador de desacoplo en la resistencia de emisor para conseguir alta ganancia. Como esta capacidad reduce la resistencia de entrada de cada etapa, añadimos la resisten- ciaRX1yRX2. Estas resistencias mejoran también el margen dinámico de entrada aunque reducen la ganancia.
Debemos elegir los componentes para obtener las características siguientes:
1. Alta ganancia,G ≈ 1000 V/V.
2. La resistencia de entrada debe ser ≥10 kΩ.
3. El nivel medio de la señal de salida debe permitir máxima excursión simétrica de la señal.
4. La señal a amplificar se acopla capacitivamente. La frecuencia de corte debe ser de unos100 Hz.
R1
R2
RC1
Q1
Q2 +15 V
RE1
RX1
RE2
RC2 C1
C2
C3
v0 vi
RX2
Uno de los objetivos es diseñar una red de polarización para la primera etapa. Como esta etapa está acoplada directamente a la segunda etapa, la polarización de la primera etapa afectará a la segunda. Los pasos a seguir podrían ser los siguientes:
Escoja la corriente de colector y la tensión de emisor deQ1. Ahora escoja las resistenciasR1yR2para fijar la tensión de base deQ1garantizando su estabilidad térmica.
Determine las resistencias para fijar el punto de trabajo deQ2.
6
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Use la resistenciaRX1para fijar la resistencia de entrada del circuito.
Determine las capacidades para cumplir el requisito de frecuencia de corte inferior.
¿Qué frecuencia de corte superior espera? ¿Qué transistor fija esta frecuencia?
Una vez diseñado el circuito deberá montarse en una placa y comprobar los requisitos pedidos. Un primer paso es comprobar que la polarización de los transistores corresponde a lo diseñado. Una vez que esto ha sido resuelto, debe considerarse el estudio experimental de las características de pequeña señal del circuito, asegurandose que todas las medidas se realizan a frecuencias medias.
2.1.1. Medidas y documentación. Informe preliminar de laboratorio
Deberá generar un breve documento que contenga los puntos siguientes. Este documento formará parte del informe final.
1. Especificaciones pedidas.
2. Esquema final.
3. Datos de la simulación usando LTspice 4. Resultados experimentales.
2.2. Amplificador diferencial
En este ejercicio vamos a analizar la amplificación de señales débiles (de un sensor, por ejemplo) en presencia de perturbaciones eléctricas de mucha mayor amplitud. Aunque no es difícil diseñar un amplificador de alta ga- nancia para estas señales, el problema es que también las perturbaciones serán amplificadas. Por eso, usaremos un amplifcador diferencial que amplifique la señal débil (señal diferencial) y rechace la perturbación (señal común).
El circuito de la figura se usa para generar una señal mixta formada por una señal débil (de1 kHz) más una perturbación de mucha mayor amplitud (de100 Hz). Este circuito usa un generador de señal de 1 kHz (de unos 100 mV de amplitud en el secundario del transformador) para modelar la señal del sensor (señal diferencial). El transformador se usa para suministrar una señal flotante en el secundario. La perturbación eléctrica común es modelada por la señal del generador de100 Hz y de mucha mayor amplitud (de unos 5 V) que la señal diferencial.
El circuito resistivo formado por las resistencias de 100 Ω y 27 Ω inyecta una señal común a cada uno de los terminales del secundario del transformador. Por tanto, este circuito suministra una señal diferencialvd= v+−v− de1 kHz y una señal común de 100 Hz.
Analice este circuito y obtenga las tensionesv+yv−en función de la señal diferencialvdy la señal común vc.
vd
27 27
+
+
−
−
vc
100
v+
v−
Una vez conectado el circuito anterior al amplificador diferencial de la figura,
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1. Mida la ganancia en modo común (apagando la fuente de señal diferencial).
2. Mida la ganancia en modo diferencial (apagando la fuente de señal común).
3. Observe la señal compuesta de salida y compárela con la señal compuesta de entrada.
4. Determine la relación de rechazo en modo común, CMRR.
v0 +20 V
10 k 10 k
v+
100 100
5.6 k
−20 V
+ +
v−
1µF 1µF
10 k
La relación de rechazo CMRR mejora sensiblemente si el amplificador diferencial emplea una fuente de co- rriente (¿por qué?). Sustituya la resistencia de10 kΩ por la fuente de corriente de la figura siguiente. Determine I0
y calcule las ganancias diferencial y en modo común del nuevo amplificador. Compruebe estos resultados experi- mentalmente y observe la diferencia en la señal compuesta de salida respecto al caso anterior.
Nota: La relación CMRR se degrada al aumentar la frecuencia de la señal común debido en gran medida a la capacidad colector-base de los transistores del par diferencial. Otras capacidades, como la capacidad colector- emisor de la fuente de corriente, también degradan la relación CMRR. Esta capacidad aparece en paralelo con la fuente de corriente, reduciendo la impedancia de la fuente. El efecto de estas capacidades aumenta con la frecuencia. Por tanto, la ganancia en modo común debe disminuir al reducir la frecuencia de la señal común.
−20 V 12 k
1.5 k 2.7 k
I0
2.3. Respuesta en frecuencia: efecto Miller
La capacidad de la unión colector-base de un transistor bipolar limita seriamente el ancho de banda de algunas etapas amplificadoras. Esto ocurre cuando la ganancia entre base y colector es muy grande y se conoce como efecto Miller. El efecto Miller reduce considerablemente el ancho de banda de las etapas en emisor común.
Este ejercicio consta de dos partes. En una primera parte estudiamos la reducción del ancho de banda de un circuito emisor común por efecto Miller. En la segunda parte estudiamos un método para cancelar este efecto aplicado al emisor común, del que resulta el amplificador cascodo.
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E
MISOR COMÚN−
+15 V
1µF
68µF vs
v0
56 k
5.6 k
7.5 k
680
33 pF
5.6 k +
+ +
1. Monte el circuito emisor común de la figura. Mida su punto de trabajo y su ganancia. Compruebe estos resultados con los valores calculados.
2. Mida la frecuencia de corte inferior. La etapa que suministra señal a este circuito es modelada por una fuente de señalvsy una resistencia de5.6 kΩ.
3. Mida la frecuencia de corte superior. ¿Qué le ocurre a esta frecuencia si colocamos el condensador de33 pF entre colector y base del transistor? ¿Por qué ocurre esto? Calcule de forma aproximada esta frecuencia y compruebe que coincide con la frecuencia medida. (Nota: La capacidad de la unión colector-base de este transistor esCµ ≈2 pF. En estos cálculos se puede ignorar, ¿por qué?)
C
IRCUITO CASCODO−
+15 V
1µF
1µF
68µF vs
v0
56 k
5.6 k
7.5 k
680 5.6 k
Q1 6.8 k
Q2 33 k
+ +
+
+
El circuito de la figura pretende eliminar el efecto Miller que redujo considerablemente el ancho de banda del circuito anterior. El nuevo circuito es una modificación del circuito emisor común anterior al que se le ha añadido el transistorQ2y su correspondiente red de polarización.
1. Monte el circuito cascodo. Mida su punto de trabajo y su ganancia. Compruebe estos resultados con los valores calculados.
2. Mida la frecuencia de corte superior.
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3. Conecte capacidades de33 pF entre el colector y la base de ambos transistores y mida nuevamente su frecuencia de corte superior.
4. Observe (usando el osciloscopio) las tensiones en la base y colector del transistor Q1 y en la base del transistorQ2. ¿Puede explicar la respuesta en frecuencia de este circuito en base a estas observaciones?
Agudo el cascodo!
2.4. Realimentación negativa
La realimentación negativa es importante porque produce mejoras en los circuitos amplificadores tales como estabilidad de la ganancia frente a variaciones de los parámetros de los elementos activos, así como un control de las resistencias de entrada y salida de los amplificadores.
En este apartado estudiaremos las propiedades de un amplificador con realimentación serie-paralelo. La figura siguiente muestra un esquema de bloques de esta configuración. En esta configuración, una muestra de la señal de tensión de salida se compara con la señal de tensión de entrada. Se denomina realimentación serie-paralelo porque la red de realimentación (de gananciaB) se conecta en serie con la entrada del amplificador básico (de gananciaA) y en paralelo con su salida.
vi A v0
B +
− ve
vf
En esta figura,viyv0son las señales de entrada y salida del amplificador realimentado. La redB suministra una tensiónvf = Bv0que es realimentada a la entrada, donde se genera la señal errorve= vi−vf. El amplificador básico amplifica esta señal y producev0 = Ave. Por tanto, la ganancia de tensión del amplificador realimentado se puede escribir como:
AF ≡v0
vi
= A
1 + T = 1 B
T
1 + T
,
donde se ha introducido la ganancia de bucleT = AB. Si la ganancia de bucle es muy grande, T ≫ 1, la ganancia del amplificador realimentado depende exclusivamente de la red de realimentación
AF ≈ 1 B.
Para que el amplificador realimentado tenga ganancia,B ≤ 1, que junto a T ≫ 1 implica que AF ≈1/B ≪ A.
Es decir, si la ganancia de bucleT es mucho mayor que la unidad, la ganancia del amplificador realimentado AF
es insensible a cambios en la ganancia del amplificador básicoA. Estos cambios se pueden deber a cambios de temperatura, envejecimiento de componentes o a cambios en la polarización de los componentes. El precio a pagar es que la ganancia obtenidaAF es mucho menor que la ganancia del amplificador básicoA.
Además, se verifica que la resistencia de entrada del amplificador realimentadoRifes mucho mayor que la del amplificador básico,Rin,
Rif = Rin(1 + T ),
mientras que la resistencia de salidaRof es mucho menor que la resistencia de salida del amplificador básico, Rout,
Rof = Rout
1 + T.
El circuito de la figura muestra un amplificador realimentado serie-paralelo.
1. ¿Es la realimentación de este circuito negativa? Explique brevemente el motivo.
2. Identifique el circuito que forma el amplificador básico.
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+−
+6 V
−6 V Q1 Q2
Q3 1.2 k
22 k
1 k
5.6 k 10 k
vi
v0
3. Identifique la red de realimentación. ¿Cuanto vale su ganancia?
4. Indique si espera que la ganancia de bucle sea alta, y los motivos. ¿Qué ganancia tendrá en este caso el amplificador realimentado?
5. Monte el circuito y mida su punto de trabajo y ganancia. ¿Son los resultados los esperados? ¿Por qué fun- ciona correctamente este circuito si el transistorQ3no tiene resistencia de emisor?
6. ¿Qué ocurre si abrimos el lazo de realimentación? Pruebe a desconectar la resistencia de22 kΩ de la salida conectándola a tierra. Explique lo observado.
7. ¿Qué puede ocurrir si cambiamos la resistencia de22 kΩ por una de de 10 kΩ? ¿Por qué?
2.5. Diseño de un amplificador realimentado
En esta parte del curso vamos a realimentar el amplificador multietapa diseñado en la Sección 2.1 para obtener las especificaciones siguientes:
1. Ganancia de tensión:G ≈ 50 V/V.
2. Ancho de banda: desdefL≤10 Hz hasta fH≥1 MHz.
3. Resistencia de entrada> 30 kΩ.
4. Resistencia de salida< 500 Ω.
5. Margen dinámico de salida:∆v0≥1 Vpp.
6. Alimentación: mediante fuente de tensión de+15 V
2.5.1. Medidas y documentación. Informe final de laboratorio
Se deben realizar las medidas necesarias para comprobar que se cumplen las especificaciones. Debe compro- barse que se obtienen los valores esperados. Si hubiese discrepancias deberá darse una explicación razonada.
Deberá completar el informe preliminar de la Sección 2.1 con los resultados de esta sección. En concreto, deben considerarse los puntos siguientes:
1. Especificaciones pedidas.
2. Esquema de bloques.
3. Esquema final.
4. Datos de la simulación usando LTSpice.
5. Resultados experimentales.
