Preparacin de Informes en formato IEE
Amplificador Darlington y Cascada
Paul Esteban Vintimilla Tapia.e-mail:
[email protected] Politcnica Salesiana Sede
Cuenca. Universidad Politcnica Salesiana Sede Cuenca. Paul
Vintimilla. Prctica 514
Abstract--- This report its about Darlington transistor
amplifiers and cascading amplifiers, we are going to review the
different stages that are used in the cascaded amplifier. The first
stage uses a common source amplifier with FET transistor, a BJT
transistor for the second stage as common emitter amplifier and for
the third stage we use a common collector amplifier. The amplifiers
in these calculations were performed due polarization maximum
dynamic calculation of input and output impedances, and calculation
of the capacitors and the respective measurements are performed and
simulated to determine proper operation in the required application
and then make the appropriate conclusions and analysis of all the
results obtained practical and theoretical.
ndice de trminosTransistor Darlington, Conexin Cascada.
INTRODUCCIN
El transistor de efecto campo es en realidad una familia de
transistores que se basan en el campo elctrico para controlar la
conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET
pueden plantearse como resistencias controladas por voltaje. Un
amplificador es cualquier dispositivo el cual mediante la
utilizacin de energa, magnifica la amplitud de un fenmeno.
Amplificar es agrandar la intensidad de algo, por lo general
sonido. Tambin podra ser luz o magnetismo, etc. En trminos
generales amplificador, es un aparato al que se le conecta un
dispositivo de sonido y aumenta la magnitud del volumen.En los
transistores bipolares, una pequea corriente de entrada (corriente
de base) controla la corriente de salida (corriente de colector);
en los casos de los FET, es un pequeo voltaje de entrada que
controla la corriente de salida.La corriente que circula en la
entrada es generalmente despreciable (menos de un pico amperio).
Esto es una gran ventaja, cuando la seal proviene de un dispositivo
tal como un micrfono de condensador o un transductor piezo
elctrico, los cuales proporcionan corrientes insignificantes.En
electrnica, el transistor Darlington es un dispositivo
semiconductor que combina dos transistores bipolares en un tndem (a
veces llamado par Darlington) en un nico dispositivo.La
configuracin (originalmente realizada con dos transistores
separados) fue inventada por el ingeniero de los Laboratorios Bell
Sidney Darlington. La idea de poner dos o tres transistores sobre
un chip fue patentada por l, pero no la idea de poner un nmero
arbitrario de transistores que originara la idea moderna de
circuito integrado.Esta conexin es una conexin muy popular de dos
transistores de unin bipolar para funcionar como un solo transistor
superbeta. La principal caracterstica de la conexin Darlington es
que el transistor compuesto acta como una sola unidad con una
ganancia de corriente que es el producto de las ganancias de
corriente de dos transistores por separado.Un amplificador en
cascada es un amplificador construido a partir de una serie de
amplificadores, donde cada amplificador enva su salida a la entrada
del amplificador a lado de una cadena. Una conexin entre etapas de
amplificador es la conexin en cascada. Bsicamente una conexin en
cascada es aquella en la cual la salida de una etapa se conecta a
la entrada de la segunda etapa. La conexin en cascada proporciona
una multiplicacin de la ganancia en cada una de las etapas para
tener una mayor ganancia en total.
OBJETIVOS
II-A. Disear, calcular y comprobar el funcionamiento del
Amplificador con transistor Darlington. (Av=150) (fc=500 Hz).II-B.
Disear, calcular y comprobar el funcionamiento del Amplificador en
conexin Cascada de 3 etapas:II-B1. Primera Etapa: Amplificador con
transistor FET en source comn (AV=8).II-B2. Segunda Etapa:
Amplificador con transistor BJT en emisor comn (AV=80).II-B3.
Tercera Etapa: Amplificador con transistor BJT en colector comn
(AV=1).La frecuencia de corte de cada uno de estos amplificadores
es de fc=500 Hz.
MARCO TERICOIII-A. Transistor BJTEltransistor de unin
bipolar(delinglsBipolar Junction Transistor, o sus siglasBJT) es
undispositivo electrnicodeestado slidoconsistente en dosuniones
PNmuy cercanas entre s, que permite controlar el paso de
lacorrientea travs de sus terminales. La denominacin de bipolar se
debe a que la conduccin tiene lugar gracias al desplazamiento de
portadores de dos polaridades (huecospositivos
yelectronesnegativos), y son de gran utilidad en gran nmero de
aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos
suimpedanciade entrada bastante baja.
Como el transistor es considerado una fuente de corriente
dependiente de la corriente de base, podemos deducir que la malla
de base es la que polariza al transistor para obtener ciertas
caractersticas de corriente y voltaje en la malla de salida, que es
donde se obtiene la amplificacin.
Figura 1. Transistor BJT
Los transistores bipolares son los transistores ms conocidos y
se usan generalmente enelectrnica analgicaaunque tambin en algunas
aplicaciones deelectrnica digital, como latecnologa TTLo BICMOS.Un
transistor de unin bipolar est formado por dosUniones PNen un solo
cristal semiconductor, separados por una regin muy estrecha. De
esta manera quedan formadas tres regiones:
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar
fuertementedopada, comportndose como un metal. Su nombre se debe a
que esta terminal funciona comoemisorde portadores de carga. Base,
la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Colector, de extensin mucho mayor.
La tcnica de fabricacin ms comn es la deposicinepitaxial. En su
funcionamiento normal, la unin base-emisor est polarizada en
directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores
de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy
angosta, hay poca recombinacin de portadores, y la mayora pasa al
colector. El transistor posee tres estados de operacin: estado de
corte, estado de saturacin y estado de actividad.
a. EstructuraUn transistor de unin bipolar consiste en tres
regiones semiconductorasdopadas: la regin del emisor, la regin de
la base y la regin del colector. Estas regiones son,
respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo
P, y tipo N en un transistor NPN. Cada regin del semiconductor est
conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector
(C), segn corresponda.
Figura 2. Corte transversal simplificado de un transistor de
unin bipolar NPN. Donde se puede apreciar como la unin
base-colector es mucho ms amplia que la base-emisor.
La base est fsicamente localizada entre el emisor y el colector
y est compuesta de material semiconductor ligeramentedopadoy de
alta resistividad. El colector rodea la regin del emisor, haciendo
casi imposible para los electrones inyectados en la regin de la
base escapar de ser colectados, lo que hace que el valor resultante
de se acerque mucho hacia la unidad, y por eso, otorgarle al
transistor un gran .El transistor de unin bipolar, a diferencia de
otros transistores, no es usualmente un dispositivo simtrico. Esto
significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el
transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar
en modo inverso.Debido a que la estructura interna del transistor
est usualmente optimizada para funcionar en modo activo,
intercambiar el colector con el emisor hacen que los valores de y
en modo inverso sean mucho ms pequeos que los que se podran obtener
en modo activo; muchas veces el valor de en modo inverso es menor a
0.5. La falta de simetra es principalmente debido a las tasas
dedopajeentre el emisor y el colector. El emisor est
altamentedopado, mientras que el colector est ligeramentedopado,
permitiendo que pueda ser aplicada una gran tensin de reversa en la
unin colector-base antes de que esta colapse. La unin colector-base
est polarizada en inversa durante la operacin normal. La razn por
la cual el emisor est altamentedopadoes para aumentar la eficiencia
de inyeccin de portadores del emisor: la tasa de portadores
inyectados por el emisor en relacin con aquellos inyectados por la
base. Para una gran ganancia de corriente, la mayora de los
portadores inyectados en la unin base-emisor deben provenir del
emisor.El bajo desempeo de los transistores bipolares laterales
muchas veces utilizados en procesosCMOSes debido a que son diseados
simtricamente, lo que significa que no hay diferencia alguna entre
la operacin en modo activo y modo inverso.Pequeos cambios en la
tensin aplicada entre los terminales base-emisor genera que la
corriente que circula entre el emisor y el colector cambie
significativamente. Este efecto puede ser utilizado para amplificar
la tensin o corriente de entrada. Los BJT pueden ser pensados como
fuentes de corriente controladas por tensin, pero son
caracterizados ms simplemente como fuentes de corriente controladas
por corriente, o por amplificadores de corriente, debido a la baja
impedancia de la base.Los primeros transistores fueron fabricados
degermanio, pero la mayora de los BJT modernos estn compuestos
desilicio.
b. Funcionamiento
En una configuracin normal, la unin emisor-base se polariza en
directa y la unin base-colector en inversa. Debido a la agitacin
trmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la
barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez,
prcticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por
el campo elctrico que existe entre la base y el colector.Un
transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la regin
del nodo compartida. En una operacin tpica, la unin base-emisor est
polarizada en directa y la unin base-colector est polarizada en
inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensin
positiva es aplicada en la unin base-emisor, el equilibrio entre
los portadores generados trmicamente y el campo elctrico repelente
de la regin agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones
excitados trmicamente inyectarse en la regin de la base. Estos
electrones "vagan" a travs de la base, desde la regin de alta
concentracin cercana al emisor hasta la regin de baja concentracin
cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados
portadores minoritarios debido a que la base estdopadacon material
P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la
base.La regin de la base en un transistor debe ser
constructivamente delgada, para que los portadores puedan
difundirse a travs de esta en mucho menos tiempo que la vida til
del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el
porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la
unin base-colector.
Figura 3. Caracterstica idealizada de un transistor bipolar.
c. Tipos de Transistor Bipolar
NPN
Figura 4. El smbolo de un transistor NPN.
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los
cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga
mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La
mayora de los transistores bipolares usados hoy en da son NPN,
debido a que la movilidad del electrn es mayor que la movilidad de
los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes
y velocidades de operacin.Los transistores NPN consisten en una
capa de material semiconductordopadoP (la "base") entre dos capas
de materialdopadoN. Una pequea corriente ingresando a la base en
configuracin emisor-comn es amplificada en la salida del
colector.La flecha en el smbolo del transistor NPN est en la
terminal del emisor y apunta en la direccin en la que lacorriente
convencionalcircula cuando el dispositivo est en funcionamiento
activo.. PNPEl otro tipo de transistor de unin bipolar es el PNP
con las letras "P" y "N" refirindose a las cargas mayoritarias
dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos
transistores usados hoy en da son PNP, debido a que el NPN brinda
mucho mejor desempeo en la mayora de las circunstancias.
Figura 5. El smbolo de un transistor PNP.
Los transistores PNP consisten en una capa de material
semiconductordopadoN entre dos capas de materialdopadoP. Los
transistores PNP son comnmente operados con el colector a masa y el
emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentacin a
travs de una carga elctrica externa. Una pequea corriente
circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor
circule desde el emisor hacia el colector.La flecha en el
transistor PNP est en el terminal del emisor y apunta en la
direccin en la que la corriente convencional circula cuando el
dispositivo est en funcionamiento activo.d. Regiones operativas del
transistorLos transistores de unin bipolar tienen diferentes
regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que
son polarizados: Regin activa:corriente del emisor = ( + 1)Ib;
corriente del colector= IbCuando un transistor no est ni en su
regin de saturacin ni en la regin de corte entonces est en una
regin intermedia, la regin activa. En esta regin la corriente de
colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib),
de (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las
resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor.
Esta regin es la ms importante si lo que se desea es utilizar el
transistor como un amplificador de seal. Regin inversa:Al invertir
las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el
transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este
modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido
a que la mayora de los BJT son diseados para maximizar la ganancia
de corriente en modo activo, el parmetro beta en modo inverso es
drsticamente menor al presente en modo activo.
Regin de corte: Un transistor est en corte cuando:corriente de
colector = corriente de emisor = 0, (Ic= Ie= 0)En este caso el
voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje
de alimentacin del circuito. (como no hay corriente circulando, no
hay cada de voltaje, verLey de Ohm). Este caso normalmente se
presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0)De forma
simplificada, se puede decir que el la unin CE se comporta como un
circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero.
Regin de saturacin: Un transistor est saturado cuando:corriente
de colector corriente de emisor = corriente maxima, (Ic Ie= Imax)En
este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de
alimentacin del circuito y de las resistencias conectadas en el
colector o el emisor o en ambos, verLey de Ohm. Se presenta cuando
la diferencia de potencial entre el colector y el emisor desciende
por debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el transistor esta en
saturacin, la relacin lineal de amplificacin Ic=Ib(y por ende, la
relacin Ie=(+1)Ib) no se cumple.De forma simplificada, se puede
decir que la unin CE se comporta como un cable, ya que la
diferencia de potencial entre C y E es muy prxima a cero.III-B.
Amplificadores con transistor BJT En el circuito se muestra un
circuito tpico de un amplificador de tensin con un transistor BJT
polarizado en la zona activa.Con l se trata de amplificar una
tensin cualquiera vi y aplicarla, una vez amplificada, a una carga
que simbolizamos por la resistencia RL. La zona sombreada resalta
el amplificador, que en este caso, lo constituye un transistor BJT
en la configuracin emisor comn. El cual, convenientemente
polarizado en la zona activa, es capaz de comportarse como un
amplificador de tensin como ya se mencion en el captulo
anterior.
Figura 6. Amplificador con BJT
Los condensadores C1 y C2 que aparecen se denominan
condensadores de acoplo y sirven para bloquear la componente
continua. En concreto C1 sirve para acoplar la tensin que queremos
amplificar al amplificador propiamente dicho, eliminando la posible
componente continua que esta tensin pudiera tener. Si no
bloquesemos esta continua se sumara a las corrientes de polarizacin
del transistor modificando el punto de funcionamiento del mismo.
Por otra parte, el condensador C2 nos permite acoplar la seal
amplificada a la carga, eliminando la componente continua (la
correspondiente al punto de polarizacin del transistor) de forma
que a la carga llegue nicamente la componente alterna.El
condensador C3 es un condensador de desacoplo, su misin es la de
proporcionar un camino a tierra a la componente alterna. En el
captulo anterior se analiz el efecto de la resistencia RE desde el
punto de vista de su efecto en la estabilizacin del punto de
polarizacin. Sin embargo, en este captulo veremos cmo desde el
punto de vista de la amplificacin, esta resistencia hace disminuir
la ganancia del amplificador. Al aadir el condensador de desacoplo
conseguimos que la continua pase por RE mientras que la alterna
pasara por el condensador C3 consiguiendo que no afecte a la
amplificacin.
a) El cuadripolo y el modelo hbrido
Un cuadripolo es un circuito, sistema o red en general con dos
terminales de entrada, tambin denominado puerto de entrada, y dos
terminales de salida o puerto de salida, por ello a veces, a los
cuadripolos se les denomina redes de doble puerto.
Figura 7. CuadripoloAnlisis de un circuito amplificador con
parmetros hbridos.Podemos amplificar una seal sin ms que acoplarla
a un transistor debidamente polarizado y la seal resultante
aplicarla a una carga (en este caso modelizada por una resistencia
ZL. Aqu analizamos un caso genrico sin importar la configuracin del
transistor. As que sustituiremos el transistor por su modelo en
parmetros hbridos.Supondremos que la seal de entrada es sinusoidal,
con lo cual podremos trabajar con los valores mximos o con los
eficaces.
Figura 8. Parmetros hbridos del transistor
NOTA: Se ha llamado a la corriente por la carga iL (con el
subndice en maysculas) en contra de lo mencionado anteriormente
respecto a la nomenclatura, esto es as para no confundir la letra l
(ele) minscula con el nmero 1 (uno). Quede claro, por tanto, que
aunque denotemos con subndice en maysculas nos estamos refiriendo
al valor incremental o de alterna de la mencionada corriente.
b) Comparacin de las distintas configuraciones
A continuacin procederemos analizar distintos circuitos
amplificadores con el fin de comparar los valores obtenidos en cada
uno de ellos. La resolucin la realizaremos utilizando el modelo
simplificado que acabamos de plantear. En cada caso calcularemos la
ganancia de tensin (AV), la ganancia de corriente (AI) y las
impedancias de entrada (Zi) y de salida (Zo), dado que los nicos
componentes que tenemos en el circuito sern resistencias, ya que no
analizamos el comportamiento en frecuencia de los circuitos, las
impedancias de entrada y salida tendrn nicamente una componente
real, es decir, sern resistencias, por lo que podremos hablar
igualmente de resistencias de entrada (Ri) y de salida (Ro)
c) Amplificadores
Amplifican la tensin, corriente o potencia a partir de seales ms
dbiles.La seal a amplificar puede venir de Micrfono para seales de
audio o antena para seales de radio frecuencia o Transductores
trmicos, velocimetritos, luminosos o de otras etapas
amplificadoras.
d) Clasificacin
1. Segn el elemento activo. Transistores unipolares: Emisor comn
(EC), Colector comn (CC), Base comn (BC) Transistores bipolares:
FET o MOS(potencia) Transistores especiales. Circuitos integrados:
Operacionales y especficos de audio, video, instrumentacin.2. Segn
el tipo de seal. De CC: En fuentes de alimentacin o para activacin
de actuadores(vlvulas, motores, lmparas, rels..) De Seal: Baja
frecuencia: amplificacin de transductores para medida Media
frecuencia: Amplificacin de voz o msica(20Hz-20KHz) Alta
frecuencia: Amplificacin de video (15Hz-15MHz). Seal de
radiofrecuencia>20KHz.3. Segn la potencia. De pequea seal:
Etapas previas de amplificacin o para corrientes dbiles. De
potencia: ltimas etapas de amplificacin o para corrientes grandes.
Clase A: No se recorta la seal. Clase B: La seal se recorta durante
medio semiciclo. Clase C: La seal se recorta durante ms de un
semiciclo. Clase AB: La seal se recorta durante menos de un
semiciclo4. Segn las etapas de amplificacin Monoetapa: Simple,
diferencial, realimentacin. Multietapa Acoplamiento: Directo, RC,
LC, con transformador.
e) Caractersticas De Los Amplificadores
1. Ganancias En tensin: Av=Vs/Ve; Av(dB)=20log(Av) En Corriente:
AI=Is/Ie; GI(dB)=20log(AI) En Potencia: Ap=Ps/Pe;
Ap(dB)=10log(Ap)Ganancias a frecuencias medias: Son las ganancias
en la zona lineal de amplificacin, para la que dichas ganancias son
mximas (amplificacin mxima). Se encuentran dentro del ancho de
banda del amplificador.2. Frecuencias de corte y ancho de banda.
Las frecuencias de corte las determinan los elementos capacitivos
(condensadores y capacidades parsitas) y resistivos del circuito.
Las frecuencias de corte delimitan la zona lineal (de
amplificacin). El ancho de banda es la diferencia entre la
frecuencia de corte superior e inferior A las frecuencias de corte
la ganancia en tensin cae 3dB con respecto a la ganancia a
frecuencias medias. Tambin se puede expresar como el 70% de la
ganancia a frecuencias medias. A las frecuencias de corte la
potencia cae 3dB con respecto a la ganancia a frecuencias medias.
Tambin se puede expresar como el 50% de la ganancia a frecuencias
medias.3. Desfase. Es la diferencia de fase entre la seal de
entrada y de salida. En la zona lineal el desfase es de 0 o 180.4.
Distorsin. En la zona lineal (dentro del ancho de banda): En
amplitud: La amplitud de la salida queda recortada o deformada. En
frecuencia: La frecuencia de la salida es diferente de la de
entrada. En fase: Se produce desfase entre la entrada y la salidade
180.5. Impedancia de salida.Es la impedancia vista desde los
terminales de salida del amplificador, que est en serie con la
tensin amplificada. que genera, el amplificador, y que debe ser lo
ms pequea posible.6. Impedancia de entrada:Es la impedancia vista
desde los terminales de entrada del amplificador, y que debe ser lo
ms grande posible.7. Tensin mxima y mnima de salidaQue es capaz de
generar en la zona lineal sin distorsin.8. Tensin mxima y mnima de
entradaQue es capaz de amplificar en la zona lineal sin
distorsin.9. Temperaturas de trabajoLmites de funcionamiento para
temperaturas extremas.10. Factor de ruido:Es el ruido que aporta el
amplificador debido a sus componentes internos, y que de depender
de la temperatura y la frecuencia.11. Relacin seal ruido: S/NEs el
cociente entre el nivel de seal y de ruido en la zona lineal de
trabajo, y que debe ser lo mayor posible.
f) Estudio de un amplificadorEn corriente continua. Se
desconecta la seal de entrada. Se miden las corrientes y tensiones
de polarizacin (punto de trabajo) y la recta de carga esttica.En
corriente alterna. Frecuencia medias:Se parte de una tensin y
frecuencia muy baja. Se aumenta la frecuencia hasta que la salida
es estable y mxima sin recortarse.
Impedancia de entrada:Metodo1: Se mide la corriente de entrada y
la tensin de entrada: Metodo2: Se conecta una resistencia variable
en serie con la entrada y se vara dicha resistencia hasta que la
tensin a la entrada del amplificador sea la mitad que la de entrada
y se mide la resistencia variable.
Impedancia de salida:Metodo1: Se mide la corriente de la carga y
la tensin de la carga: Metodo2: Se sustituye la carga por una
resistencia variable y se vara dicha resistencia hasta que la
tensin a la salida del amplificador sea la mitad que sin la carga y
se mide la resistencia variable. Frecuencia de corte inferior:Se
baja la frecuencia hasta que Frecuencia de corte superior:Se
aumenta la frecuencia hasta que
III-C. El transistor FETLos transistores FET ms conocidos son
los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET
(Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET
(Metal-Insulator-Semiconductor FET).Tienen tres terminales,
denominadas puerta (Gate), drenador (Drain) y fuente (Source). La
puerta es la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor
de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por
tensin, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que
fluya o no corriente entre drenador y fuente.En un transistor BJT
la salida de corriente del colector es proporcional a la entrada de
corriente que fluye hacia el terminal de la base del dispositivo,
con lo que el transistor BJT se convierte en un transistor operado
por corriente. En cambio un transistor de efecto de campo, FET,
utiliza el voltaje que se aplica a su terminal de entrada, llamado
Gate o puerta, para controlar la corriente que fluye a travs del
dispositivo, donde la salida de corriente es proporcional a la
tensin de entrada aplicada. Su operacin se basa en un campo
elctrico (de ah el nombre de efecto de campo) generado por el
voltaje en el ingreso de Gate, entonces esto hace que el transistor
de efecto de campo sea un dispositivo de accionamiento por
voltaje.Podemos decir que el funcionamiento del transistor de
efecto de campo es distinto al del BJT debido a que en los MOSFET,
la puerta no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde
la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequea en comparacin
con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser
despreciada. Los MOSFET, adems, presentan un comportamiento
capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el anlisis
y diseo de circuitos.El JFET es un dispositivo unipolar, ya que en
su funcionamiento solo intervienen los portadores mayoritarios.Los
transistores FET al igual que los BJT son de dos tipos: canal n y
canal p, dependiendo de si la aplicacin de una tensin positiva en
la puerta pone al transistor en estado de conduccin o no conduccin,
respectivamente.La estructura fsica de un JFET consiste en un canal
semiconductor tipo n o p, con contactos hmicos (no rectificadores)
en cada extremo fuente (S) y drenador (D). A los lados del canal
existen dos regiones de material semiconductor de diferente tipo de
canal, conectados entre s, formando el terminal de puerta Gate
(G).En el caso del JFET de canal n, la unin puerta-canal, se
encuentra polarizada en inversa, por lo que prcticamente no entra
ninguna corriente a travs del terminal de puerta. El JFET de canal
p, tiene una estructura inversa a la del canal n, siendo por lo
tanto necesaria su polarizacin de puerta tambin inversa respecto a
la del canal n.Los JFET son usados preferiblemente ante los MOSFET
en circuitos discretos. En el smbolo del dispositivo, la flecha
indica el sentido de polarizacin directa de la unin p-n.
Figura 9. FET de canal N y de canal P
Si comparamos el JFET, con un transistor BJT, podemos
representar ciertas similitudes entre estos dos dispositivos, por
ejemplo, se aprecia que el drenaje (D) es anlogo al colector, en
tanto que el surtidor (S) es anlogo al emisor y un tercer contacto,
la compuerta (G), es anloga a la base del transistor BJT.
III-C1. Principios de Funcionamiento
En la unin p-n al polarizar en inversa la puerta y el canal, una
capa del canal adyacente a la puerta se convierte en no conductor.
A esta capa se le llama zona de deplexin. Cuanto mayor es la
polarizacin inversa, ms gruesa se hace la zona de deplexin, cuando
la zona conductora ocupa todo el ancho del canal, se llega al corte
del canal. A la tensin necesaria para que la zona de deplexin ocupe
todo el canal se le llama tensin puerta fuente de corte (). Esta
tensin es negativa en los JFET de canal n.En el funcionamiento
normal del JFET de canal n, D es positivo respecto a S. La
corriente de D a S a travs del canal. Como la resistencia del canal
depende de la tensin GS, la corriente del drenador se controla por
dicha tensin.
III-C2. Zonas de Funcionamiento
La tensin aplicada a la puerta controla la corriente que fluye
entre el drenaje y los terminales de la fuente, mientras que se
refiere a la tensin aplicada entre el drenaje y la fuente. En un
transistor JFET no fluye corriente en la puerta, en tanto que la
corriente de fuente () es igual a la corriente que fluye por el
drenaje, por lo tanto .
Figura 10. Zonas de funcionamiento del JFET
III-C2.1 Regin hmica: Cuando la capa de agotamiento del canal es
muy pequea y el JFET acta como una resistencia de tensin
controlada.III-C2.2 Regin activa: El JFET se convierte en un buen
conductor y es controlado por el voltaje de puerta-fuente, (),
mientras que la tensin de drenaje-fuente, () tiene poco o ningn
efecto.III-C2.3 Regin de ruptura: La tensin entre el drenaje y la
fuente, () es lo suficientemente alta para canal provoca
resistencia del JFET para descomponer y pasar mxima sin control
actual.
III-C3. Curva de Transferencia.
La curva de transferencia se puede obtener de forma directa con
la ecuacin de Shockley, dados simplemente los valores de IDSS y Vp
que se encuentran en las hojas de datos o Datasheet. Los niveles de
IDSS y Vp definen los lmites de la curva en ambos ejes y slo se
requiere localizar algunos puntos intermedios en la grfica.
Figura 11. Curvas de transferencia de los transistores JFET y
MOSFET
III-D. Amplificador con transistor Darlington
El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que
tiene una alta ganancia de corriente.Est compuesto internamente por
dos transistores bipolares que se conectan es cascada. El
transistor Q1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base
del transistor Q2.
Figura 12. Amplificador con transistor Darlington
a) Funcionamiento
La configuracin de este tipo de transistor, se trata nicamente
de dos transistores acoplados, tal como se mostr en la figura
anterior. A este transistor se le polariza como se a realizado al
igual que los anteriores con un punto Q cerca de la mitad de la
lnea de carga de cc, se puede acoplar una pequea seal de ca en la
base. Esto produce alternancias o fluctuaciones de igual forma y
frecuencia en la corriente de colector. Por ejemplo si la entrada
es una onda senoidal con una frecuencia de 1 kHz, la salida ser una
onda senoidal amplificada con una frecuencia de 1 kHz.El
amplificador se llama lineal (o de alta fidelidad) si no cambia la
forma de la seal. Si la amplitud de la seal es pequea, el
transistor solo usar una pequea parte de la lnea de carga y la
operacin sea lineal. Un capacitor de acoplamiento permite el paso
de una seal de ca de un punto a otro. En un amplificador
transistorizado, la fuente de cc proporciona corrientes y voltajes
fijos. La fuente de ca produce fluctuaciones en estas corrientes y
voltajes.La forma ms simple para analizar el circuito es la divisin
del anlisis en dos partes: un anlisis de cc y un anlisis de ca.En
otras palabras, puede usarse el teorema de la superposicin cuando
se analicen amplificadores transistorizados. A este amplificador
tambin se puede usar en un solo esquema para el circuito en
corriente alterna. Hie del transistor es el resultado del Hie del
segundo transistor multiplicado por el Hfe del primer
transistor.
b) Caractersticas
La ganancia total de la conexin Darlington es el producto de la
ganancia de los transistores individuales. Un dispositivo tpico
tiene una ganancia en corriente de 1000 o superior.Tambin tiene un
mayor desplazamiento de fase en altas frecuencias que un nico
transistor, de ah que pueda convertirse fcilmente en inestable.La
tensin base-emisor tambin es mayor, siendo la suma de ambas
tensiones base-emisor. Y para tensiones de silicio es superior a
1.2V. La beta de un transistor o par Darlington se halla
multiplicando los betas de los transistores individuales. La
intensidad del colector se halla multiplicando la intensidad de la
base por el beta total.
y al tener dos transistores, el voltaje VBE incrementa a:
La ganancia de corriente por lo tanto se determina por:
La impedancia de ingreso viene dada por:
Ganancia de Tensin:
Impedancia de Salida:
c) Esquema Simulado
Figura 13. Simulacin del amplificador con transistor
Darlington
d) Clculos
Datos del circuito:
Por lo tanto tenemos
La resistencia de emisor es:
La intensidad de base calculamos de la siguiente manera:
El anlisis en corriente alterna nos arrojan los siguientes
datos:
Clculo de la impedancia de entrada del transistor:
Mediante la ganancia de voltaje encontramos la resistencia de
colector:
Por lo tanto tenemos:
Despejando la resistencia de colector:
III-E. Amplificador en Cascada
Un amplificador en cascada es un amplificador construido a
partir de una serie de amplificadores, donde cada amplificador enva
su salida a la entrada del amplificador al lado de una cadena.Una
conexin entre etapas de amplificadores es la conexin en cascada.
Bsicamente una conexin en cascada es aquella en la cual la salida
de una etapa se conecta a la entrada de la segunda etapa, y as
sucesivamente.La conexin en cascada proporciona una multiplicacin
de la ganancia en cada una de las etapas para tener una mayor
ganancia total. Podemos tener diferentes tipos de acoplamientos
entre cada etapa de amplificacin, sin embargo es necesario tener en
cuenta el acoplamiento entre impedancias, sabiendo que la
impedancia de salida del primer amplificador, es la impedancia de
ingreso del segundo, y as sucesivamente. El acoplamiento directo
por ejemplo, consiste bsicamente en interconectar directamente cada
etapa mediante un cable. Presenta buena respuesta a baja
frecuencia.Tpicamente se utilizan para interconectar etapas de
emisor comn con otras de seguidor de emisor. Un acoplamiento
capacitivo en cambio permite desacoplar dos efectos de polarizacin
entre las etapas. Permite dar una mayor libertad al diseo, pues la
polarizacin de una etapa no afectar a la otra en AC.
III-F. Primera Etapa: Amplificador en Source comn
La configuracin de este amplificador la podemos observar en la
figura 4 en el que se incluye un resistor de autopolarizacin Rs
para ajustar la polarizacin DC. El circuito equivalente en AC se
observa en la figura 5 donde se muestra la resistencia Rs
cortocircuitado mediante el capacitor de salida Cs sustituido por
un corto (impedancia AC del capacitor = 0) y la resistencia RD
conectada a +VDD se aterriza a AC, puesto que la impedancia AC de
la alimentacin de voltaje se sustituye por medio de una impedancia
AC de 0. El dispositivo JFET se reemplaza mediante el modelo simple
para el cual una seal de AC aplicada entre la compuerta-fuente Vgs
da como resultado una corriente de drenaje-fuente (canal) de valor
gm*Vgs.
Figura 14. Amplificador en Source comn.
Figura 15. Amplificador en source comn, esquema en dinmica.
La ganancia de voltaje AC puede determinarse como:
La impedancia de ingreso es:
La impedancia de salida es:
a) Esquema Simulado
Figura 16. Simulacin amplificador en source comn
b) Clculos
DATOS DEL CIRCUITO:
Procedemos a formar un sistema de ecuaciones a partir de las
diferentes ecuaciones planteadas a partir de los diferentes
sistemas de los circuitos:
Por lo tanto la ganancia de voltaje en source comn se expresa de
la siguiente manera:
Reemplazando cada uno de los valores y tomando en consideracin
que , para exista la mxima transferencia obtenemos:
Por lo tanto nuestra primera ecuacin es la siguiente:
(1)
Para formar nuestra segunda ecuacin podemos parir desde la
ecuacin de salida:
Por lo tanto nuestra segunda ecuacin es la siguiente:
(2) (3) Nuestra tercera ecuacin se encuentra de la siguiente
manera:
Como tenemos a partir de la malla de ingreso que:
Reemplazando esta condicin en la anterior ecuacin y cada uno de
los valores tenemos:
(4) (5) Para encontrara la cuarta ecuacin realizamos:
Obtenemos nuestra cuarta ecuacin:(6)
Resolviendo este sistema de 4 ecuaciones con 4 incgnitas:
Figura 17. Verificacin de la polarizacin (source comn)
III-G. Segunda Etapa: Amplificador en Emisor Comn
a) Esquema Simulado
Figura 18. Amplificador a emisor comn
b) Clculos
Los datos para la segunda etapa son:
En esta etapa partimos de la mxima dinmica:
Ahora como en nuestra mxima dinmica de la anterior etapa tenamos
que el , ahora en este circuito lo mximo que vamos a tener en
nuestra mxima dinmica ser:
Como al igual que en el circuito anterior tenemos que para
obtener la mxima transferencia:
Reemplazando los datos en la ecuacin anterior obtenemos:
Realizando la ltima sustitucin tenemos:
Despejando el valor de la resistencia tenemos:
Para poder encontrar otro dato importante podemos realizar lo
siguiente:
Para calcular el valor de tenemos:
Por lo tanto tenemos:
Mediante esto tenemos:
Mediante este dato podemos imponernos que:
A partir de la malla de salida tenemos:
Por lo tanto:
Para poder hallar el voltaje thevenin realizamos:
Para calcular la resistencia de thevenin tenemos:
Donde:
Por lo tanto tenemos:
Por lo tanto:
Remplazando en la ecuacin siguiente:
Por lo tanto nos planteamos lo siguiente:
Por lo tanto:
Ahora nos plantemos lo siguiente:
Figura 19. verificacin de la Polarizacin
III-H. Tercera Etapa: Amplificador en Colector Comn
a) Esquema Simulado
Figura 20. Amplificador en colector comn
b) Clculos
Datos del Circuito:
Ahora como en nuestra mxima dinmica de la anterior etapa tenamos
que el , ahora en este circuito lo mximo que vamos a tener en
nuestra mxima dinmica ser:
Por lo tanto tenemos:
Como al igual que en el circuito anterior tenemos que para
obtener la mxima transferencia:
Reemplazando los datos en la ecuacin anterior obtenemos:
Ahora:
Para calcular el valor de tenemos:
Por lo tanto tenemos:
Para calcular la intensidad de base realizamos:
A partir de la malla de salida tenemos:
Despejando el voltaje emisor tenemos:
Despejando la resistencia de emisor tenemos:
Para calcular la resistencia de thevenin tenemos:
Donde:
Por lo tanto tenemos:
Remplazando en la ecuacin siguiente:
Por lo tanto nos planteamos lo siguiente:
Resolviendo estas ecuaciones tenemos:
Figura 21. Verificacin de la Polarizacin
LISTA DE MATERIALES
2 Transistor JFET de canal n 1 Transistor BJT de canal n 1
Resistencia de 12 k 1 Resistencia de 4.7 k 1 Resistencia de 1 M 1
Resistencia de 10 k 1 Resistencia de 3.3 M 1 Resistencia de 470 k 2
Resistencias de 1.2 k 1 Resistencia de 82 k 1 Resistencia de 47 k 1
Resistencia de 1.5 k 1 Resistencia de 100 1 Resistencia de 1 k
Condensadores (Varios) 2 fuentes variables de corriente continua
0V-30V 1 Protoboard
Instrumentos:
2 Multmetros (Voltmetro y Ampermetro) Software MULTISIM 11.0 1
Generador de Funciones. 1 Osiloscopio Sondas (ms de 3)
DESARROLLO
V-A. Simulaciones, Tablas de Resultados
a) Amplificador en Cascada
Esta simulacin debida su extensin ser presentada al final de
este informe como parte de los anexos. Lo que debemos hacer es unir
las 3 etapas calculadas anteriormente y verificar con sus
respectivos diagramas.
Tabla de resultadosF(Hz)mVmVs
250511200.000436224-47.004
500517000.000354340-50.629
750521400.0002567.5428-52.628
1000524200.000272484-53.696
2000529200.0005360584-55.328
3000530500.0002216610-55.706
5000531100.0000059622-55.875
7000531600.0000025.04632-56.014
9000531800.0000013.24636-56.069
100005320000640-56.123
b) Amplificador Darlington
Esta simulacin ser presentada al final de este informe como
parte de los anexos.
Tabla de resultados:
F(Hz)mVmVs
2504.84880.0012108101.66-40.143
5004.86240.0007126130-42.278
7504.86640.0005135138.33-42.818
10004.86720.0004144140-42.922
20004.87040.0002144146.66-43.326
30004.87040.00014151.2146.66-43.326
50004.87040.0001180146.66-43.326
70004.87120.00006151.2148.33-43.424
90004.87200.00004129.6150-43.521
100004.87280.00003108151.66-43.617
NOTA: Los grficos y diagramas sern presentados al final de este
informe
ANLISIS DE RESULTADOS
Una vez que se obtuvieron todos los resultados se puede decir
que los datos coinciden con las simulaciones, por lo tanto los
clculos realizados son correctos. A ms de esto todos los datos
tanto calculados como medidos concuerdan con las simulaciones
realizas, de esta manera se puede concluir que los datos obtenidos
en el desarrollo de la practica son los correctos.
CONCLUSIONES
Al haber terminado la presente prctica podemos concluir lo
siguiente:
Realizar de una forma correcta los respectivos clculos permite
tener una exactitud al momento de armar la prctica, por lo tanto
los valores obtenidos concuerdan con las simulaciones realizadas.
Los condensadores son un factor importante al momento de obtener la
ganancia deseada con cada circuito. El acoplamiento de cada etapa
del sistema cascada permite obtener la ganancia deseada, por lo
tanto una falla en dicho acoplamiento significar un error en las
mediciones obtenidas. Una vez que se alcanza la frecuencia de
500Hz, la seal debe empezar a estabilizarse hasta obtener un
sistema completamente estable una vez que se alcancen los 10Hz. Los
clculos realizados concuerdan con los valores obtenidos en las
mediciones y las simulaciones, por lo que se puede concluir que la
prctica se desarroll correctamente.
CONCLUSIONS
Having completed this practice we can conclude the
following:
Perform a proper way the respective calculations can be accurate
when arming practice, therefore the values obtained are consistent
with the simulations. Capacitors are an important factor when
getting the desired gain with each circuit. The coupling each stage
of the cascade system allows obtaining the desired gain, so a fault
in said coupling means an error in the measurements obtained. Once
the frequency reaches 500 Hz, the signal must begin stabilizing to
obtain a completely stable once they reach 10Hz. The calculations
are consistent with the values obtained in measurements and
simulations, so that it can be concluded that the practice went
well.
BIBLIOGRAFA
[1] R. L. Boylestad and L. Nashelsky. Electrnica: Teora de
circuitos y dispositivos electrnicos. Pearson Educacin, 2003.[2] F.
J. Gabiola, D. I. De Telecomunicacin Basil, et al. ANLISIS Y DISEO
DE CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS. Teora y Ejercicios Resueltos.
Editorial Visin Libros, 2007. [3] G. C. Valls, J. E. Lpez, and J.
M. Mar. Fundamentos de electronic analogical. Publicacions de la
Universitat de Valencia, 2011.
