PR´ACTICAS DE ELECTR´ONICA II.

PRÁCTICAS DE ELECTRÓNICA II.
5o FÍSICA
Juan Antonio Jiménez Tejada
Índice
1. POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR.
1
2. TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN. FAMILIA LÓGICA TTL.
3
3. AMPLIFICADOR MONOETAPA CON TRANSISTOR BIPOLAR.
6
4. FILTRO ACTIVO PASO BANDA.
9
A. FACTOR DE INESTABILIDAD.
11
B. CONMUTACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR.
12
C. MATERIAL DISPONIBLE PARA PRÁCTICAS.
13
i
1.
POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR.
OBJETIVO Polarizar un transistor bipolar.
12V
R1
RC
R2
RE
Figura 1: Transistor: BC107B, BC547B o similar.
FUNDAMENTO TEÓRICO Se trabajará con el circuito autopolarizado. El primer
paso es el diseño del circuito, es decir, encontrar los valores de las resistencias para que
el transistor trabaje en un punto de operación determinado, definido por IC y VCE .
Para calcular los valores de RC y RE acudiremos a la relación:
Vcc = VCE + IC (RE + RC ),
(1)
suponiendo despreciable la intensidad IB frente a IC .
REALIZACIÓN PRÁCTICA IMPORTANTE: ES OBLIGATORIO LA PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS TEÓRICOS PARA PODER REALIZAR LA SESIÓN
DE LABORATORIO En esta práctica vamos a suponer VCE = 5V y IC = 5mA, y vamos
a montar el circuito anterior para los dos casos siguientes:
1. RE = 0 .
Para obtener R1 y R2 se razona de la siguiente forma:
Para que estas dos resistencias constituyan un buen partidor es necesario que Ip IB . Supongamos Ip = 10IB = 10IC /β
Vcc = Ip R1 + VBE
(2)
VBE = R2 (Ip − IB )
(3)
Como no dispondréis de los valores exactos de las resistencias elegir las más
aproximadas o combinarlas para acercarse a dichos valores (Ver el apéndice C).
Con los valores reales calcular teóricamente VCE e IC .
¿Qué ocurrirı́a si no se satisface la condición Ip IB y tenéis que cambiar de
transistor, o envejece el que tenéis, variando sus parámetros?
1
12V
R1
RC
Ip
IB
R2
Figura 2: Polarización del transistor con RE = 0.
En el laboratorio:
Comprobar que se consigue ese punto de operación.
Acercar un objeto caliente al transistor y medir de nuevo IC y VCE . ?Qué ocurre?.
2. RE = RC /3. Para el diseño del circuito debo tener en cuenta un factor de inestabilidad que nos da idea de lo inestable que es el circuito frente a variaciones de la
temperatura (Ver el apéndice A). Este factor se define como:
S=
B
(R
+ 1)(1 + β)
RE
RB
RE
+1+β
(4)
El circuito será más inestable cuanto mayor sea el valor de S. El caso lı́mite de mayor
estabilidad es cuando RE = ∞ correspondiendo a un valor de S = 1. Interesa un
cociente RB /RE pequeño.
Suponer en este circuito un valor de S = 11. Calcular de nuevo todos los valores
de las resistencias, elegir las más próximas, recalcular VCE e IC y repetir el mismo
proceso de medida que en el apartado anterior.
Las ecuaciones que describen este circuito se obtienen hallando el equivalente Thevenin del partidor de tensión de la figura 1 y analizando el circuito resultante (Fig.
3.
¿Cuál de los dos casos es más estable?, ¿por qué?.
2
12V
RC
RB
VB
RE
Figura 3: Aplicación del equivalente Thevenin al divisor de tensión de la figura 1.
2.
TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN. FAMILIA
LÓGICA TTL.
OBJETIVO Introducir los conceptos básicos de un sistema digital a través de la conmutación de un transistor bipolar: estados lógicos, márgenes de ruido, retrasos de propagación.
FUNDAMENTO TEÓRICO En aplicaciones digitales los circuitos de polarización
de los transistores se diseñan para que los transistores operen entre corte y saturación.
Estas regiones se caracterizan por proporcionar un estado perfectamente estable: en saturación el transistor se comporta como si se tratara de un cortocircuito (VCE = 0.2V ) y
en corte el transistor se comporta como un circuito abierto (IC = 0). Este es el caso del
circuito de la figura 4, que se conoce como la celda elemental de la familia lógica TTL.
Para analizar su respuesta vamos a someterlo a dos valores de tensión caracterı́sticos de
esta familia de circuitos lógicos 0 y 5 V.
5V
5kS
2kS
Vo
Vi
T1
T2
Figura 4: Celda elemental de la familia lógica TTL. Usar como transistores BC107B,
BC547B o similares.
Si Vi = 0V T1 se encuentra en conducción, extrae carga de la base del transistor T2
poniéndolo en corte con lo que la salida es de Vo=5V.
Si Vi = 5V T1 opera en activa inversa inyectando corriente al transistor T2 poniéndolo en saturación (se eligen las resistencias del circuito de manera que se cumpla esta
condición).
3
REALIZACIÓN PRÁCTICA
1. Deducir teóricamente qué tensión se tiene a la salida si la entrada se encuentra en
circuito abierto. Comprobar que se trata de un inversor, medir la salida del circuito
para valores de la tensión de entrada de 0 V, 5 V y en abierto.
2. Medir la corriente que suministra la fuente de alimentación al circuito en cada caso y
determinar la potencia media consumida por la puerta (medida de corriente≡medida
de tensión en resistencias conocidas). Calcularlo también teóricamente.
3. Obtener teóricamente la caracterı́stica de transferencia VO − Vi . Medirla también
experimentalmente. En el laboratorio utilizar una función senoidal como entrada y
encontrar las dos tensiones siguientes:
ViLmax : Tensión de entrada por debajo de la cual la salida está en estado alto
(5V).
ViHmin : Tensión de entrada por encima de la cual la salida está en estado bajo
(0V).
Para ello buscar los puntos de la caracterı́stica de transferencia con pendiente
unidad.
4. Aplicando pulsos entre 0 y 5 V estudiar la respuesta transitoria de este circuito.
Observar como se deforman los pulsos y cuantificar esta deformación midiendo los
tiempos de retardo (tpLH y tpHL ) producidos en cada escalón de tensión de acuerdo
con la figura 5. El retraso en la conmutación de la salida respecto de la entrada se
debe a que estamos haciendo cambiar de región de operación al transistor T2, es
decir, debemos introducir o extraer carga de la región de base de dicho transistor.
Debido a los efectos capacitivos asociados a esta acumulación de carga en la base
este proceso requiere un tiempo que es el que se debe estimar.
Vi
t
Vo
tpHL
50%
tpLH
50%
t
Figura 5: Respuesta a un pulso de tensión.
5. Utilizando un transistor más a la entrada como se muestra en la figura 6 calcular la
función lógica del circuito. Recordar que función lógica es valor que toma la salida
de un circuito digital (en términos de valores alto o bajo, ”0” o ”1”) en función de
4
V1
0
0
1
1
V2
0
1
0
1
VO
1
1
1
0
Tabla 1: Tabla de verdad correspondiente al circuito de la figura 6
las combinaciones que se pueden dar a la entrada. Comprobar que se trata de una
puerta NAND (Tabla 1).
5V
5kS
2kS
Vo
V1
V2
Figura 6: Puerta TTL con dos entradas.
5
3.
AMPLIFICADOR MONOETAPA CON TRANSISTOR BIPOLAR.
FUNDAMENTO TEÓRICO El objetivo de esta práctica es construir un amplificador con un transistor bipolar en configuración emisor común y caracterizarlo midiendo
una serie de parámetros como son la ganancia en tensión, la resistencia de entrada, la
resistencia de salida y la respuesta en frecuencia.
Para construir un amplificador con transistor lo primero que se debe hacer es polarizarlo, eligiendo un punto de trabajo adecuado. En el caso de amplificadores donde se
requiera una comportamiento lineal la región que cumple esta condición es la zona activa.
En la práctica 1 se polarizó un transistor bipolar en la región activa. Aprovechando los
datos de dicha práctica vamos a añadir los elementos que dan la forma final al amplificador
monoetapa (Fig. 7).
12 V
RB1
RC
CC
V2
RS
VS
RX
Vo
V1 CB
IL
I1
RE
RB2
+
CE
RL
Ri
RO
Figura 7: Amplificador monoetapa con transistor bipolar.
Condensadores CC y CB : Impiden que la señal continua de esta etapa afecte a etapas
anteriores o posteriores, o dicho de otra forma que etapas anteriores o posteriores
modifiquen el punto de operación que se habı́a elegido de partida. En este caso lo que
puede afectar al punto de operación de nuestra etapa es la resistencia del generador
y la resistencia de carga. Tomar CC ≈ 10μF y CB ≈ 10μF
Condensador CE : En continua no afecta a la resistencia de emisor, garantizando
la estabilidad que proporciona la resistencia RE . Sin embargo, a las frecuencias de
trabajo se elige su valor de tal forma que su impedancia sea prácticamente nula,
cortocircuitando por tanto la resistencia de emisor y permitiendo con ello aumentar
la ganancia en tensión de la etapa. Tomar CE ≈ 220μF
Resistencia de carga RL : representa la resistencia que presenta cualquier sistema
sobre el que se va a recoger la señal amplificada. Tomar RL = 10kΩ
Resistencia Rx : esta resistencia se utiliza por problemas particulares de este circuito
y del generador de señal que se utilizará en el laboratorio. Debido a la alta ganancia
en tensión que proporciona este amplificador, si no se utilizan señales de entrada
6
de amplitud suficientemente pequeña la salida puede quedar recortada a sus valores
extremos (0V, 12V). Se utiliza esta resistencia para absorber parte de la tensión que
proporciona el generador de entrada. Tomar Rx = 20kΩ
REALIZACIÓN PRÁCTICA
Trabajo teórico (IMPORTANTE: ES OBLIGATORIO LA PRESENTACIÓN DE ESTE TRABAJO PARA PODER REALIZAR LA SESIÓN DE
LABORATORIO).
Calcular las ganancias Av1 (s) = VO (s)/V1(s) y Av2 (s) = VO (s)/V2 (s) (admitir que
la impedancia de los condensadores CC y CB es nula). Representar el diagrama de
Bode en ambos casos.
V2
RX
I1
+ vbe
RS
VS
+
gmvbe
rB
V1
RE
RB1
Vo
IL
CE
RC
RL
RB2
Figura 8: Estudio en pequeña señal del amplificador.
Calcular la resistencia de entrada Ri a una frecuencia donde la ganancia sea máxima
(impedancia del condensador CE nula)
Ri =
V1
I1
(5)
Calcular la resistencia de salida a la misma frecuencia
VO
RO =
−IL
(6)
RL =∞,Vs =0
Trabajo práctico.
Montar el circuito de la figura 7 con los valores de los componentes utilizados en
el cálculo teórico, que deben coincidir con los de la práctica de polarización del
transistor con RE no nula.
Antes de añadir los elementos adicionales que hemos comentado más arriba comprobar que el transistor se encuentra bien polarizado. Después, terminar de montar
el circuito.
Medida del diagrama de Bode en módulo para una de las ganancias Av1 (s) o Av2 (s).
Medir a partir de 10 Hz.
7
Medida de la resistencia de entrada Ri en el rango de frecuencia de ganancia máxima.
Utilizar una resistencia de prueba Rp de valor próximo a la Ri calculada teóricamente
(Fig. 9).
Ri
VA =
Vs
(7)
Ri + Rp
Rp
+
Ri
+
VS
VA
-
Figura 9: Medida de la resistencia de entrada.
Medida de la resistencia de salida RO en el rango de frecuencia de ganancia máxima.
Medir la salida en circuito abierto y con una resistencia parecida a la RO encontrada
teóricamente (Fig. 10).
RO
RO
+
Vt
+
Vo1
-
+
Vt
-
+
R’
Vo2
-
Figura 10: Medida de la resistencia de salida.
Comparación con los resultados teóricos
8
4.
FILTRO ACTIVO PASO BANDA.
FUNDAMENTO TEÓRICO. El objetivo de esta práctica es construir un filtro paso
banda de segundo orden con un amplificador operacional. Se pueden diseñar filtros en
general de hasta segundo orden con la configuración de la figura 11, donde aparecen cinco
admitancias correspondientes a condensadores o resistencias. La función de transferencia
Y5
Y4
Y1
Vi
Y3
VO
+
Y2
Figura 11: Medida de la resistencia de salida.
de este circuito es:
Y1 Y3
Y5 (Y1 + Y2 + Y3 + Y4 ) + Y3 Y4
Un filtro paso banda posee una función de transferencia como esta:
H(s) = −
H(s) =
s2
Ho2δwos
+ 2δwo s + wo2
(8)
(9)
Con el circuito anterior se puede conseguir esta función de transferencia si se eligen las
admitancias tal como se muestra en la figura 12.
C1
C5
R4
-
Vi
R3
VO
+
R2
Figura 12: Medida de la resistencia de salida.
Como ejercicio teórico identificar Ho , δ y wo con C1 , C5 , R2 , R3 y R4 .
Si llamamos C5 = C y C1 = K · C comprobar que se cumple:
R4 =
R3 =
R2 =
2δHo
wo CK
(10)
1
2δHo wo C
1
wo C 2δ(K − Ho ) −
9
(11)
K
2δHo
(12)
TRABAJO PRÁCTICO.
1. Diseñar un filtro paso banda de segundo orden con los siguientes parámetros:
Ho = 15, δ = 0.3, fo = 15kHz
(IMPORTANTE: ES OBLIGATORIO LA PRESENTACIÓN DE LOS
VALORES DE RESISTENCIAS Y CONDENSADORES OBTENIDOS
PARA PODER REALIZAR LA SESIÓN DE LABORATORIO).
Los condensadores deben elegirse de entre los que se proporcionan para hacer la
práctica. Si no se dispone de los valores exactos de las resistencias, combinarlas
hasta encontrar los más próximos. Con los valores reales volver a calcular Ho , δ, fo .
2. Montar el circuito (hacer uso del esquema de la figura 13) y medir el diagrama de
Bode en módulo. Compararlo con la teorı́a.
3. A bajas frecuencias introducir a la entrada una señal triangular y observar la señal
de salida. Representar el resultado y razonar el porqué. (Presentar al inicio de la
sesión lo que esperáis encontrar).
4. A altas frecuencias introducir a la entrada una señal cuadrada y observar la señal
de salida. Representar el resultado y razonar el porqué. (Presentar al inicio de la
sesión lo que esperáis encontrar).
Figura 13: Descripción de los terminales de la cápsula del amplificador operacional 741.
10
A.
FACTOR DE INESTABILIDAD.
VCC
RC
Ic0
VBB
IC
IC0
IC
IC’
RB
IB IB’
$IB’
IB IB’ 0.6V
IE
RE
Figura 14: Modelo de transistor bipolar incluyendo la fuente de corriente IC0 .
Analicemos el circuito de la figura 14. Al modelo de transistor en activa se le ha añadido
una fuente de corriente IC0 que tiene en cuenta las corrientes parásitas que circulan por
el transistor. La nueva relación entre las corriente de colector y base se obtiene de la
siguiente manera:
IC = βIB
IC = IC + IC0
IB = IB − IC0 =
IC
1
− IC0 (1 + )
β
β
La ecuación de la malla que cubre la unión BE es:
VBB = IB RB + VBE + IE RE
1
IC
− IC0 (1 + ) (RB + RE ) + VBE + IC RE
VBB =
β
β
Las variables que son más sensibles a la temperatura en la ecuación anterior son IC e
IC0 . Si se deriva la ecuación anterior con respecto a la temperatura se puede obtener la
siguiente relación:
(RB + RE )(1 + β)
ΔIC
=
S=
ΔIC0
RB + RE (1 + β)
A esta relación la vamos a denominar factor de inestabilidad. Tiende hacia la unidad
cuando RE se aproxima a un circuito abierto. Toma el valor 1 + β cuando RE es un
cortocircuito.
11
B.
CONMUTACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR.
Cuando varı́a la tensión externa que polariza la unión BE, la diferencia de potencial
en los extremos de la unión BE no cambia bruscamente con el tiempo, como tampoco lo
hace la carga almacenada en la base.
V1
N
VF
P
W N
0<t<ta
t=ta
0
IE=
IC-IB
t
IC
-VR
IB
IF
t64
t
0.1·IR
IR
V1
Extracción de
huecos
ta td
IC
-
+
IB
t
Figura 15: Conmutación del transistor bipolar.
Cuando el transistor bipolar pasa de activa a corte se extraen portadores de la base.
La corriente del terminal de base la componen los huecos que están en exceso y que
mantienen la neutralidad en la zona neutra de base, compensando el exceso de electrones.
Al crearse un defecto de carga positiva en la base se deben extraer los electrones, que
fluyen tanto por el colector como por el emisor. La corriente de emisor y colector debido
a ese flujo de electrones viene determinada en cada instante de tiempo por la pendiente
de la concentración de electrones n(x, t) en x = 0 y x = W respectivamente. Como se ve
en la figura 15 la corriente de colector prácticamente no varı́a en el intervalo 0 < t < ta
debido a que la pendiente en x = W tampoco varı́a apreciablemente. La corriente de
emisor es IE = IC − IB , que puede incluso invertirse, dependiendo del como sea de grande
IB respecto a IC . A partir de ta , es decir cuando n(0, t) = 0, el exceso de carga empieza
a hacerse negativo con lo que la corriente de base tiende a cero e IC también, en un
tiempo de caı́da td . El nivel de corriente de base durante el tiempo de almacenamiento
dependerá del circuito externo. En el caso del circuito de la figura 16a IB = −VR /RB . En
el circuito de la figura 16b IB depende de como se polarice el primer transistor, es decir,
del valor de su corriente de colector.
5V
Vcc
RC
5kS
2kS
RB
V1
Vo
Vi
(a)
Figura 16:
12
T1
(b)
T2
C.
MATERIAL DISPONIBLE PARA PRÁCTICAS.
Para realizar todas las prácticas se dispondrá de los siguientes componentes:
componente
100Ω
360Ω
1KΩ
1.5KΩ
4.7KΩ
10KΩ
16KΩ
20KΩ
47KΩ
68KΩ
100KΩ
120KΩ
220μF
10μF
4.7pF
33pF
1N4004
BC547B
13
unidades
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
1
3