amplificadr jfet y bipolar

Laboratorio de Analogica III

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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 diseo de un amplificador con transistores bipolares y jfet.

En esta prctica se realizaron los clculos necesarios para que el transistor trabajara en su regin activa y adems que la ganancia que presentara a la salida con respecto de la entrada fuera igual a 30, posteriormente se corroboraron dichos clculos mediante la simulacin, despus de algunas correcciones se procedi a implementar los circuitos correspondientes, una vez implementados dichos circuitos se realizaron las mediciones pertinentes y con base a stas se compararon los resultados tericos con los prcticos.

Se da por hecho que el lector cuenta con un nivel basico de Electrnica Analgica.

Introduccin

En los albores de la comunicacin, el receptor empleaba un pequeo cristal de sulfuro de plomo (galena) que en realidad era un dispositivo de dos terminales, y de aqu el nombre de diodo o receptor de galena, se estableci un contacto elctrico a travs de un alambre de extremo puntiagudo llamado bigote de gato mientras que el otro se estableci a travs del cuerpo del material.

El diodo de cristal tiene una caracterstica alineal y ofrece una gran resistencia al flujo de electrones que pasa por l en una u otra direccin. Como resultado rectifica o detecta cualquier seal de corriente alterna que se aplica convirtiendo la CA en corriente continua pulsante.

En cierto modo el detector de galena, que precedi por muchos aos al tubo al vaco y

es un antepasado de los transistores de hoy en da, guarda aproximadamente la misma relacin con el transistor que guarda la vlvula de dos electrodos de Fleming con los tubos al vaco. La vlvula de dos electrodos de Fleming tambin llamada diodo de bulbo fue introducida por J. A. Flemming en 1904.

El tubo de galena y la vlvula de Fleming se usaron extensamente durante los primeros tiempos de la radio (1890 a 1920), emplendose como detectores de RF y rectificadores de AC.

El desarrollo del tubo al vaco y del transistor siguieron rutas aproximadamente paralelas. El primer dispositivo de valor prctico en ambas familias fue la unidad bielectrdica, o diodo. Ms tarde se trielectrdicos (triodos). Estos, a su vez, fueron seguidos por un gran grupo de dispositivos multielectrdicos creados con fines diversos. En la dcada de 1880 Thomas Alva Edison descubri un intrigante fenmeno 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 alimentacin de CC del filamento, encontraba que flua una pequea corriente entre la placa y su conexin hacia el filamento. Esta accin fue llamada efecto de Edison. Este fenmeno tuvo aplicacin cuando Fleming desarroll su vlvula en la dcada de 1890. Esta vlvula fue en realidad el primer tubo al vaco. Alrededor de 1906, Lee De Forest aadi un tercer electrodo a este primer tubo al vaco, y al hacerlo invent el triodo, al cual llam audin. Este tercer filamento semejante a una rejilla era susceptible de controlar el flujo de electrones que flua del ctodo a la placa, el triodo poda usarse para amplificar al igual que para detectar seales elctricas. Los tubos al vaco se multiplicaron rpidamente y en poco


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tiempo haba tubos de tamaos, estilos, y variedades diferentes desde tamaos pequeos como el de un cigarrillo hasta los enormes tubos de potencia del tamao de un hombre.

Fue hasta 1948 que los seores Shockely, Bardeen y Brattaain de los laboratorios de la Bell Telephone Company inventaron un dispositivo de estado slido capaz de amplificar y de detectar una seal elctrica. Este dispositivo consista en una pocin de metal cristalino que estableca el debido contacto fsico, con contactos elctricos adicionales establecidos por medio de bigotes de gato muy finos. En este caso, sin embargo se usaban dos bigotes situados uno muy prximo al otro.

Fsicamente, este amplificador slido consista de un pequeo tubo de latn con un enchufe metlico cerca de un extremo y un enchufe aislador situado aproximadamente a la mitad de su longitud. Fijado al enchufe metlico haba un pequeo bloque rectangular de aleacin 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 slo unas milsimas de pulgada el uno del otro y estaban adheridos a espigas de metal ligeramente ms gruesos, colocados en el enchufe aislador.

El nombre para este nuevo dispositivo se acuo procedente de dos palabras que parecan describir su accin: transferencia y resistencia; de aqu el nombre que se le dio, transistor. En 1951, con el desarrollo del transistor de unin, se cre un tipo nuevo de transistor que no utilizaba bigotes de gato, ste se denomino transistor de punto de contacto.

Los primeros transistores tenan ciertas caractersticas indeseables que los limitaban a la aplicacin a circuitos radioeletrnicos. Ms sin embargo, el transistor se introdujo en poca en la que haba cientos de aplicaciones para dispositivos de amplificacin (en

radioreceptores, televisores, fongrafos, y todo tipo de equipos de control.

La primera aplicacin a escala del transistor se produjo en aparatos compactos de ayuda acstica (para sordos). Pocos aos ms tarde la Regency Divisin of I.D.E.A., Inc., de Indianapolis, Indiana, lanz al comercio su famoso radio de bolsillo TR-1 primer radio totalmente transistorizado que se fabric comercialmente.

Al bajar los precios y mejorar las tcnicas de fabricacin se uso el transistor en otros receptores, radios para automviles, en televisores y en todo tipo de instrumentos y controles.

Hoy en da existen un sin numero de aparatos electrnicos que emplean el transistor en sus circuitos, tambin 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 integracin, y por si fuera poco el gran avance de la digitacin, que dentro de poco evitara los muchos problemas de mantener una seal analgica parecida a la original ya que es mucho ms fcil pasarla por dgitos.

La importancia de estudio del transistor se ha dejado ver en el empleo que ste tiene en todo el mbito de la electrnica, de ah la importancia de estudiar las caractersticas de este dispositivo.

Objetivos

Configurar en la regin activa

Un transistor Bipolar npn

Un J-FET canal p

Obtener las curvas

iDS vs. vDS


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iDS vs. VGS

Obtener una Ganancia de 30

Medir las frecuencias de corte

Inferior

Superior

Comparar los resultados tericos y prcticos

Aspectos Tericos

TRANSISTOR BJT Polarizacin universal de un

transistor npn

Para la configuracin anterior (tambin llamada polarizacin divisor de voltaje) los valores de las resistencia determinan del punto de operacin para el transistor.

Al proponerse el punto de operacin se toman en cuenta algunos criterios de diseo como VCE=VCC/2 (maxima variacin simetrica), Rb=Re/10 (minimizar los efectos de las variaciones de ), etc., y posteriormente los valores de las resistencia

que estn dados por las siguientes ecuaciones.

C

CCCC I

VVR

=

RVIEE

E=

)/(11 CCBBb

VVR

R =

BB

CCB VV

RR =2

2||1 RRRB = y las ecuaciones para la polarizacin son:

)/ BEBEBB

C RRvV

I +=

CI = BI

CI = EI

y una consideracin para minimizar el efecto de las variaciones de hfe en la ganancia total es :

10E

BR

R=

Para mxima variacin simetrica se elige Vce igual a la mitad de Vcc.

Con estas ecuaciones se resuelve el circuito de polarizacin.


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Amplificador BJT emisor comn

El circuito amplificador elegido es el siguiente:

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

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

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

Y su impedancia de entrada se modifica a :

hie = hie + hfe (Re )

es decir, la incrementa.

Para conocer hie nos basamos en la siguiente aproximacin:

CQ

Tfeie IV

hh =

con TV = 25 milivolts

TRANSISTOR FET Circuito de autopolarizacin para

transistor FET

Los parmetros de un FET suficientes para el anlisis aproximado son VP e IDSS que son caractersticos de cada transistor FET.

Para esta configuracin se requiere de las siguientes ecuaciones:

SD

G

IIAI

== 0

2

1

=

P

GSDSSD V

VII

SDGS RIV =


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y un criterio de diseo para una buena variacin simtrica 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 comn con resistencia en el emisor

El circuito amplificador es el siguiente:

Y su modelo en ac es el siguiente:

Las ecuaciones necesarias para obtener la ganancia es:

P

DSSmo V

Ig

2=

=

P

GSmom V

Vgg 1

y del circuito se puede ver que:

)/1(|||| oeLDV hRRA =

donde oeh es la admitancia de salida.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Diseo

De acuerdo con los circuitos analizados en la parte de aspectos tericos, para obtener ganancia de treinta y tener mxima variacin simtrica los valores calculados son los siguientes:

BJT

Los datos que tenemos son:

hfe = 240

Av = 30

Re = 80 ohms

Debido a diferentes consideraciones de diseo y la necesidad de probar con distintos valores de los parmetros de polarizacin realizamos un programa en MATLAB para obtener los parmetros desconocidos a partir de los conocidos o elegidos, este programa tiene las criterios de diseo antes mencionados para mxima variacin simtrica y minima dependencia de la ganancia de las variaciones de beta.

Este programa tambin nos da la grafica de la recta de ac y de dc.


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Programa en MATLAB clear Vcc=input('Dame el valor de Vcc ') %beta=input('Dame el valor de beta ') beta=240 Rc=input('Dame el valor de Rc ') Re=input('Dame el valor de Re ') Rl=input('Dame el valor de Rl ') punto=input('Punto de Vce ') Vce=punto*Vcc %Re=Rc/4 Rb= beta*Re/10; Icq=Vcc/((2*(Re+Rc))) Vbb=Icq*((Rb/beta)+Re)+.7 R1=Vcc*Rb/Vbb R2=(Vbb*R1)/(Vcc-Vbb) 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*Rlp)); plot(Xac,Yac);

Dame el valor de Vcc 12 Vcc = 12 beta = 240 Dame el valor de Rc 3.26e3 Rc = 3260 Dame el valor de Re 78.7 Re = 78.7000 Dame el valor de Rl 89.2e3 Rl = 89200 Punto de VCE .5 punto = 0.5000 VCE= 6 ICQ = 0.0018 VBB = 0.8556 R1 = 2.6492e+004 R2 = 2.0338e+003


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La grafica generada por el programa MATLAB es:

Recta de carga dc y ac

En donde se ve el punto comn de las rectas de ac y dc as como el punto de operacin.

Entonces el circuito es el siguiente:

AMPLIFICADOR DISEADO BJT

FET:

Los datos que tenemos son:

Vp = 2.8 v

IDSS = 3.2 mA

Av = 30

Al igual que en el BJT realizamos un programa en MATLAB para poder estar cambiando los valores de los parmetro y disear 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 VGSQ=VP/2 IDSSQ=IDSS/4 plot(VGS,ID) axis([0 2.8 0 3.5e-3]) grid on zoom on

Dame VP 2.8

VP =

2.8000

Dame IDSS 3.2e-3

IDSS =

0.0032

VGSQ =

1.4000

IDSSQ =

8.0000e-004


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y la grafica generada es:

Recta de carga dc

El circuito diseado 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.

AMPLIFICADOR DISEADO FET

Para la implementacin de la prctica se utiliz lo siguiente:

Material

1 transistor BJT matrcula BC547 npn

1 transistor JFET matrcula 2n5460 canal P

1 resistor 3.3 kohm

1 resistor 27 kohm

1 resistor 1.9 kohm

1 resistor 3.6 kohm

1 resistor 31.5 kohm

1 resistor de 1 Mohm

1 protoboard

Equipo

1 generador de seales ancho de banda 2 megahertz

1 osciloscopio (Zi de 1megaohm)

1 fuente de CD digital (0 40 volts , 3 A)

1 computadora porttil IBM Think Pad.

Software

Microsim Pspice versin 8

Matlab 5.3

Entonces armamos los circuitos diseados y verificamos que trabajen en la regin activa y que los valores de ganancia medididos se acerquen a los del diseo. A continuacin se muestran los resultados obtenidos.

Resultados BJT

Los valores de CD obtenidos al armar el circuito fueron:

VCEQ = 5 .83 volts

ICQ = 1.877 mA

VEQ = .145 volts

VCQ = 5.93 volts


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Tabla 1

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

Av = 31.3

En la tabla 1 se encuentran las mediciones de la variacin 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:

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

0

5

10

15

20

25

30

35

1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Frecuencia

Gan

acia


10


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 diseado.

Podemos observar que las frecuencias de corte son:

Frecuencia de corte inferior 22 Hz. Frecuencia de corte superior 65 kHz

Grafica de la respuesta en frecuencia medida del amplificador

FET

Tabla 2

Ancho de Banda

-

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

10.00 100.00 1,000.00 10,000.00 100,000.00 1,000,000.00

Frecuencia

Gan

anci

a


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SIMULACIONES

A continuacin 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 diseados.

AMPLIFICADOR BJT

Circuito amplificador BJT

Amplificacin:

Esta simulacin nos muestra la amplificacin de una seal senoidal con el amplificador BJT diseado, se puede observar una ganancia de 32, muy cercana a la esperada que es de 30. La seal de entrada es de 10 mV de amplitud y la seal obtenida es de aproximadamente 319 mV. La frecuencia a la que se simul es de 10 KHZ.

Saturacin:

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

En esta simulacin se observa el valor mximo de entrada para el circuito diseado, ya que la entrada se vara hasta observar la saturacin, el valor mximo obtenido es cercano a los 190 milivolts, es decir que nuestro diseo esta muy cercano a la mxima variacin simtrica ya que 30*190mV = 5.8 volts y el voltaje de polarizacin es 12 y el mximo valor que se obtendra sera 6 volts.

Respuesta en frecuencia del amplificador BJT:

Respuesta en frecuencia

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 tambin los puntos en donde decae 3 dB la ganancia de la simulacin, es decir las frecuencias de corte que son:

Frecuencia de corte inferior: 9.19 Hz

Frecuencia de corte superior: 17.9 MHz

Polo de orden inferior:

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

Efectos de la variacin 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 variacin 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:

Modelo equivalente en ac del amplificador BJT

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, as como en la ganancia.


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Amplificacin:

Simulacin del modelo equivalente del amplificador BJT sin capacitancias entre las uniones (fo=10k)

En esta simulacin se observa la amplificacin del modelo equivalente, que es mayor a la del transistor simulado y la obtenida en el circuito armado. La ganancia de este simulacin es de aproximadamente de 36.

Respuesta en frecuencia del modelo equivalente del amplificador BJT :

Respuesta en frecuencia del modelo equivalente de ac del

amplificador BJT sin capacitancia entre las uniones

En esta simulacin 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.

Modelo equivalente del amplificador BJT con capacitancias parsitas:

Modelo equivalente en ac del amplificador BJT con 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.


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Frecuencia de corte superior del modelo equivalente del amplificador BJT con capacitancias parsitas

Esta simulacin nos permite comprobar la hiptesis 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

Amplificacin:

Simulacin amplificador J-FET (fo=10k)

Saturacin:

Variacin de la amplitud de la seal de entrada (de 10mV a 410mV)

Respuesta en frecuencia del amplificador JFET


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Frecuencia de corte inferior amplificador JFET

Frecuencia de corte superior amplificador JFET

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

Polo inferior:

Efectos de la variacin del capacitor de entrada y salida

Modelo equivalente JFET

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


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Respuesta en frecuencia del modelo amplificador JFET sin capacitancias

Modelo equivalente JFET con capacitancias

Respuesta en frecuencia del modelo amplificador JFET con

capacitancias

Frecuencia de corte inferior modelo equivalente JFET con

capacitancias

Frecuencia de corte superior modelo equivalente JFET con

capacitancias


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Conclusiones:

Al finalizar la prctica podemos concluir lo siguiente:

*El modelo elctrico del transistor BJT y JFET a baja seal 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 razn 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 polarizacin inversa y disminuye con la polarizacin directa, la capacitancia es mayor en las uniones polarizadas directamente que en las que lo estan inversamente.

*Para el diseo de un amplificador se parte de las requerimientos de ac (como la ganancia de voltaje, corriente potencia) y de acuerdo con esto se eligen los valor de los parmetros de polarizacin (dc).

*Es muy importante saber elegir diversas configuraciones de amplificadores para poder elegir el adecuado de a cuerdo con las caractersticas, nuestros diseos requirieron para BJT cambiar impedancia de entrada por disminucin en la ganancia y asi obtenerla de 30.

*Para el diseo en mxima variacin simtrica es muy importante calcular la carga de ac y de acuerdo con esta tambin tomar algunos criterios para elegir los valores de los parmetros.

Referencias:

[1] Schilling Belove, Electronic Circuits: Discrete and integrated, McGraw-Hill, First Edition 1968, pg. 88 The basic amplifier, pg. Pg. 101 The ac load line, pg. 186 The hybrid parameters.

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

[3] Robert L. Boylestad Louis Nashelsky, Eelectrnica: Teoria de circuitos, Prentice Hall, Sexta edicin 1997, pg. 416 Modelo de pequea seal del FET , pg. 426 Configuracin de autopolarizacin para el FET.

[4] Louis E. Garner Jr. , Transistores curso bsico, Minerva, Primera edicin 1966, pg. 9


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AANNEEXXOOSS

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