Examen 3 - Escuela de Ingeniería Electrónica

Instituto Tecnológico de Costa Rica
Escuela de Ingenierı́a Electrónica
EL-2207 Elementos Activos
Profesor: Ing. Jorge Castro-Godı́nez
I Semestre, 2012
Puntos totales
30
Puntos obtenidos
Nota
Examen 3
Nombre:
Carné:
Indicaciones
Lea cuidadosamente toda la prueba.
El examen es una prueba individual. Resuélvalo de forma clara y ordenada. Cuide su
ortografı́a y caligrafı́a.
En sus respuestas a las preguntas y problemas debe indicar el procedimiento o justificación que sustente su solución.
Desarrollos confusos o ilegibles no serán calificados.
Resuelva las preguntas y problemas en un cuaderno de examen o en hojas blancas que
deberán ser numeradas, etiquetadas y grapadas antes de entregar.
Mantenga su teléfono celular apagado. El único dispositivo electrónico que puede usar
durante la prueba es una calculadora no programable.
Emplee tinta de color azul o negro. No se aceptarán reclamos a respuestas y desarrollos
con lápiz, con borrones o en los que se haya usado corrector de bolı́grafo.
Los resultados a los problemas deben ser encerrados en un rectángulo para indicar que
se ha llegado al final de la respuesta.
Este instructivo debe ser devuelto junto con su solución.
Preguntas
10 pts
Pregunta 1: Explique en qué consiste el funcionamiento del transistor bipolar.
2 pts
Pregunta 2: Dibuje las curvas caracterı́sticas, de entrada y salida, para un transistor PNP
en configuración base común.
2 pts
Pregunta 3: ¿En qué consiste el efecto de modulación de ancho de la base en un transistor
bipolar?
2 pts
1
Pregunta 4: Mencione dos de las principales técnicas empleadas en la fabricación de circuitos
integrados.
2 pts
Pregunta 5: Dibuje el diagrama de bandas de energı́a de un transistor PNP polarizado en
modo activo directo. Represente las diferentes bandas y niveles de energı́a.
2 pts
Problemas
20 pts
Problema 1
5 pts
Considere el circuito de polarización CD con realimentación de voltaje para el transistor
Q1 que se presenta en la Figura 1. Siendo RC = 4, 7 kΩ, RE = 1, 2 kΩ, RB = 250 kΩ,
VCC = 10 V y C1 = C2 = 10 µF. Para un β = 90, determine:
1. IC .
1 pt
2. VCE
1 pt
Si se aumenta en un 50 % el valor de β, esto es β = 135, determine:
3. El nuevo punto de operación (IC ,VCE )
2 pts
4. De los resultados obtenidos para los diferentes valores de β, ¿qué se puede establecer
respecto de la sensibilidad del circuito ante cambios de β?
1 pt
VCC
RC
RB
vo
vi
Q1
C2
C1
RE
Figura 1: Circuito para el Problema 1
Problema 2
8 pts
Considere el circuito de la Figura 2. Siendo VCC = 20 V, RC = 2, 2 kΩ, RE = 1, 2 kΩ,
R1 = 390 kΩ, VA tiende a infinito y β = 140 (considere C1 = C2 = ∞).
1. Determine los siguientes parámetros de operación del transistor: IB , IE y VCE .
2. Dibuje el equivalente de pequeña señal del transistor bipolar.
2
2 pts
1 pt
3. Obtenga el equivalente de pequeña señal para el circuito de la Figura 2.
2 pts
4. Obtenga una expresión literal para la ganancia de tensión Av , siendo Av = vo /vi . 1 pt
5. Obtenga los valores numéricos de los parámetros gm y rπ para el circuito equivalente
de pequeña señal obtenido.
1 pt
6. Calcule el valor numérico de la ganancia de tensión Av .
1 pt
VCC
R1
RC
vo
Q1
vi
C2
C1
RE
Figura 2: Circuito para el Problema 2
Problema 3
2 pts
La configuración de los transistores Q1 y Q2 que se muestra en la Figura 3 es conocida como
par Darlington. Dichos transistores poseen β1 y β2 respectivamente.
1. Determine una expresión para la corriente IE en términos de IB , β1 y β2 .
1 pt
2. Obtenga el punto de operación (IE ,VCE ), si β1 = β2 = 100, RC = 1, 2 kΩ, RE = 2, 4 kΩ,
RB = 60 kΩ, VCC = +15 V y VEE = −15 V.
1 pt
Problema 4
5 pts
Diseñe un circuito amplificador con emisor común, como el que se presenta en la Figura 4,
de manera que se tenga una ganancia de tensión |Av | = vo /vi ≥ 20. El transistor Q1 tiene
un βminimo = 100 y βnominal = 173, con VA = 200 V. Se desea contar con IC = 20 mA. El
circuito se alimenta con una fuente CD de VCC = 15 V. Asuma que VBE = 0, 7 V.
1. Determine los valores para el circuito de polarización.
2 pts
2. Encuentre los parámetros de pequeña señal para el transistor Q1 .
2 pts
3. Obtenga el equivalente de pequeña señal para el circuito de la Figura 4.
3
1 pt
VCC
RC
IC
Q1
IB
R1
Q2
IE
RE
VEE
Figura 3: Circuito para el Problema 3
VCC
R1
RC
RS
Q1
C2
C1
+
vi
RE1
R2
−
CE
RL
+
vo
−
RE2
Figura 4: Circuito para el Problema 4
Fórmulas y Constantes
Carga del electrón: 1,6 × 10−19 C
Movilidad de los electrones en el silicio:
cm2
1350
V ·s
cm2
Movilidad de los huecos en el silicio: 480
V ·s
εSi = 3,9ε0
Coeficiente de difusión de los electrones en el
cm2
Constante de Boltzmann:
silicio: 33, 75
s
Coeficiente de difusión de los huecos en el si−23 J
−5 eV
k = 1, 38 × 10
= 8, 617 × 10
cm2
K
K
licio: 12
s
Concentración intrı́nseca de portadores de
10
−3
carga en el silicio: 1, 45 × 10 cm a 300K
F
Permitividad del vacı́o: ε0 = 8,85 × 10−12
m
Permitividad del dióxido de silicio:
4