Medición de ganancia y características de amplificadores con FETs., Esquemas y mapas conceptuales de Finanzas

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Dirección de Diseño Académico

Manual de prácticas

Ingeniería electrónica

IE

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Índice de prácticas

1. Curvas características de los diodos
2. Curvas características y modos de operación de transistores de unión bipolar (BJT)
3. Amplificador de voltaje con transistor de efecto de campo (FET)
4. Circuitos rectificadores
5. Configuraciones básicas de los amplificadores operacionales
6. Circuitos comparadores
7. Filtros activos
8. Osciladores
9. Aplicaciones del diodo Zener en circuitos reguladores de voltaje

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Un diodo de silicio (Si). Un diodo de germanio (Ge). Una resistencia de 1kΩ. Un protoboard. Un juego de conectores para protoboard.

Una fuente de alimentación de CD ajustable. Un multímetro digital.

Requerimientos

Realizar la lectura del material del tema. Revisar los videos y lecturas adicionales que se proponen. Simular la práctica antes de asistir a la sesión de clase. Puedes emplear cualquier simulador disponible (LTspice) o simuladores en línea (DoCircuits, CircuitLab, Multisim Live).

Procedimiento

Explicación

Construcción y símbolo del diodo

Un diodo se construye uniendo dos capas de materiales semiconductores, una capa de material semiconductor tipo P y una capa de material tipo N. En la Figura 1(a) se muestra la estructura básica de un diodo. La región N se llama cátodo y la región P se conoce como ánodo. Por otro lado, en la Figura 1(b) se ilustra el símbolo eléctrico usado para representar el diodo.

Figura 1. Estructura y símbolo de un diodo.

Estados de operación

El diodo es un dispositivo que permite el flujo de corriente en una sola dirección.

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Estado 1. El diodo conduce la corriente en una determinada dirección, este estado también es llamado de polarización directa. En la Figura 2(a) y 2(b) se observa cómo el comportamiento del diodo es similar al de un interruptor cerrado, permitiendo la circulación de corriente.

Figura 2. Comportamiento del diodo polarizado directamente.

Estado 2. El diodo bloquea el paso de la corriente. Este estado también es llamado de polarización inversa. En la Figura 3(a) y 3(b) se observa cómo el comportamiento del diodo es similar al de un interruptor abierto y, por lo tanto, no permite el flujo de corriente. Observa que, en este caso, la polaridad de la fuente de voltaje se ha invertido en comparación con el circuito de la figura anterior.

Figura 3. Comportamiento del diodo polarizado inversamente.

Desarrollo de la práctica

Instrucciones:

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3. Cálculo de la resistencia promedio. Utilizando los resultados del inciso anterior, dibujar la curva característica para cada uno de los diodos, puedes emplear cualquier programa computacional que desees. Incluye la gráfica obtenida:

Diodo de Si Diodo de Ge

Realiza los cálculos respectivos haciendo uso de la siguiente definición: ∆𝑉𝑉𝑑𝑑 𝑟𝑟𝐴𝐴𝑉𝑉 = ∆𝐼𝐼

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5. Se recomienda que realices el siguiente procedimiento:
   • Primero, traza una línea recta tangente a la región de plena conducción del diodo.
   • Enseguida, extiende esta línea hasta que ésta cruce el eje horizontal.
   • Finalmente, el voltaje en el cual la línea recta corta el eje horizontal corresponde al voltaje de umbral VTH del diodo en el circuito equivalente de segmentos lineales.

Anota el valor de voltaje de umbral obtenido. Además, indica este voltaje en la gráfica obtenida en el inciso 3.

Diodo de Si Diodo de Ge

Voltaje de umbral VTH

6. Corriente de saturación inversa. Empleando la ecuación de Shockley que describe la relación teórica entre el voltaje y la corriente del diodo, calcula la corriente de saturación inversa IS del diodo. Considera que el diodo opera a temperatura ambiente. Ecuación de Shockley 𝐼𝐼𝐷𝐷 = 𝐼𝐼𝑆𝑆 �𝑒𝑒 𝐾𝐾𝑉𝑉𝐷𝐷/𝑇𝑇^ 𝐾𝐾^ − 1 � Donde ID : corriente del diodo, IS: corriente de saturación inversa, K= 11600/n (n= 1 para Ge, n= 2 para Si), VD : voltaje entre las terminales del diodo, TK: temperatura en grados Kelvin.

Diodo de Si Diodo de Ge Corriente ID Voltaje VD Corriente IS Voltaje VD Corriente IS

6 mA

4 mA

2 mA

Entrega a tu profesor los resultados de tu práctica.

Nombre del alumno: Matrícula:

Calificación:

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2. Curvas características y modos de operación de transistores de juntura bipolar (BJT)

Objetivo:

• Analizar la operación del transistor bipolar mediante la obtención experimental de sus curvas características de voltaje, contra corriente y, a partir de estas, medir algunos de sus parámetros de funcionamiento.

Procedimiento Resultados esperados

• Construir, de forma experimental, las curvas características de voltaje contra corriente de transistores bipolares. A partir de ellas, se obtendrán varios parámetros de interés, tales como la ganancia de corriente de CD (β o hFE) y la resistencia de salida del transistor en un punto de operación específico.
• Llevar a cabo la construcción de las curvas características de voltaje contra corriente, correspondiente al transistor bipolar. Para ello, se utiliza el equipo del laboratorio de electrónica, se implementa el circuito y se realizan las mediciones siguientes: o Construcción de las curvas características de voltaje contra corriente del transistor bipolar. o Inserte las curvas características obtenidas para IB= y 90 A, indicando, en cada una de ellas, el correspondiente valor de IB. o Medición del voltaje colector emisor de saturación VCE(sat). o Medición de la beta de CD βCD =hFE. o Medición de la beta de CA^ ( β CA=hfe .). o Medición de la resistencia de salida ro. o Medición del voltaje Early VA. o Medición de la resistencia de salida a partir del voltaje Early. - Identificar el modo de operación de un transistor bipolar. - Determinar las betas de CD y de CA con los datos obtenidos durante la práctica y realizar las comparaciones respectivas. - Indicar en qué consiste el voltaje de ruptura y qué cambios deberían realizarse en la presente práctica para poder medir este voltaje. - Anotar las conclusiones generales de la presente práctica.

Vicerrectoría Académica

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Parámetros fundamentales Corriente en la terminal de emisor. En el modo de operación activo directo, la corriente de emisor posee un comportamiento exponencial, que es función del voltaje presente entre las terminales emisor-base, esta relación es dada por la ecuación de Shockley:

Donde VT es el voltaje térmico, VBE es el voltaje entre las terminales base-emisor. La corriente IEO es la corriente de saturación del emisor.

Corriente en la terminal de colector. Es controlada por el voltaje presente entre las terminales base-emisor (B-E). Este comportamiento

se modela por la siguiente relación: 𝑖𝑖 (^) 𝐶𝐶 = 𝐼𝐼𝑆𝑆 𝑒𝑒

𝑉𝑉𝐵𝐵𝐵𝐵 �𝑉𝑉𝑇𝑇

Donde IS es una constante, la corriente de saturación inversa. La relación entre la corriente de emisor

MANUAL DE PRÁCTICAS

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

IE

r y de colector es dada por: 𝒊𝒊 (^) 𝑪𝑪 =∝ 𝑰𝑰 (^) 𝑬𝑬 donde α es la ganancia de corriente con base común. La corriente IS también se relaciona con IEO por la ecuación 𝑰𝑰 (^) 𝒔𝒔 =∝ 𝑰𝑰𝑬𝑬𝑬𝑬

Ganancia de corriente de emisor común. La corriente de colector y la corriente de base se encuentran relacionadas linealmente, estas

relaciones se pueden expresar como:

Donde el parámetro β es la ganancia de corriente en emisor común y es uno de los parámetros importantes del transistor bipolar. Este parámetro depende, en gran medida, de las técnicas de fabricación a las que fue sometido el transistor, así como de la temperatura y del valor de la corriente de colector. Por lo tanto, el valor de β varía para cada tipo de transistor.

Modos de operación y aplicaciones

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• Operación en la zona de corte. En esta zona existe una muy pequeña cantidad de corriente circulando del emisor al colector, comportándose el transistor de manera análoga a un circuito abierto. La característica que define la zona de corte es que ambas uniones tanto la unión colector-base como la unión base-emisor se encuentran polarizadas inversamente.
• Operación en la zona de saturación. En la zona de saturación circula una gran cantidad de corriente desde el colector al emisor y se tiene solo una pequeña caída de voltaje entre estas terminales. El comportamiento del transistor es análogo al de un interruptor cerrado. Esta zona se caracteriza porque las uniones colector-base y base-emisor se encuentran polarizadas directamente.
• Operación en la región activa. La región activa del transistor bipolar es la zona que se utiliza para usar el dispositivo como amplificador. La característica que define a la región activa es que la unión colector-base está polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada en forma directa.

Características corriente-voltaje

Configuración en base común. En esta configuración, la terminal de base es común a los lados de entrada (emisor) y salida (colector), y usualmente se conecta a un potencial de tierra (o se encuentra más cercana a este potencial). Esta configuración se ilustra en la Figura 2. La fuente de voltaje VBB brinda polarización directa a la unión B-E y controla la corriente del emisor IE.

Figura 2. Configuración base común. Configuración en emisor común. La configuración de transistores que se encuentra con mayor frecuencia se llama configuración de emisor común, se denomina así porque el emisor es común tanto al lado de entrada (base) como al de salida (colector). En la Figura 3 se ilustra un circuito de emisor común con un transistor NPN. En este circuito, la fuente VBB polariza directamente la unión B-E y controla la corriente de base. El voltaje C-E puede variar cambiando VCC. Además, si VBB=0, entonces IB=0, aunque permanece una pequeña corriente de fuga ICE.

Figura 3. Configuración emisor común.

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Tabla para IB1=30μA

Valor de la fuente VCC Valor medido para VCE Valor medido para IC

0.2 V

0.4 V

0.6 V

0.8 V

1 V

2 V

3 V

4 V

5 V

6 V

7 V

8 V

9 V

Repite el mismo procedimiento, pero ahora ajusta VBB para tener una corriente de base de IB=90μA. En total deben obtenerse dos curvas características, en donde cada curva corresponde a un solo nivel de corriente de base IB seleccionada (la cual deberá permanecer constante). Los datos, para estas mediciones, anótalos en la siguiente tabla:

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Tabla para IB2=90 μA

Valor de la fuente VCC Valor medido para VCE Valor medido para IC

0.2 V

0.4 V

0.6 V

0.8 V

1 V

2 V

3 V

4 V

5 V

6 V

7 V

8 V

9 V

10 V

11 V

12 V

4. Ahora inserta las curvas características obtenidas para IB =30 y 90 μA, indicando en cada una de ellas el correspondiente valor de IB. Para generar las curvas, a partir de las mediciones realizadas en el circuito, utiliza un programa por computadora

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6. Medición de la beta de CD β CD=h FE. La ganancia de corriente de directa (CD) de un transistor es el cociente de la corriente de

CD del colector (IC ) entre la corriente de CD de la base (IB). A partir de las curvas características del transistor, obtenidas durante el desarrollo de la práctica, calcula la beta de CD en tres puntos distintos de estas curvas: a. Punto Q1 - El primer punto, seleccionar VCE que debe ser en el límite entre saturación y zona activa. b. Punto Q2 - El segundo punto, seleccionar VCE en el centro de la zona activa. c. Punto Q3 - El último punto, seleccionar VCE en el extremo final de la zona activa.

Los resultados de estos cálculos te servirán para llenar la siguiente tabla:

IB1=30μA (^) Punto Q1 Punto Q2 Punto Q

IB2=90μA (^) Punto Q1 Punto Q2 Punto Q

7. Medición de la beta de CA (βCA=h fe.). La figura muestra una gráfica y las ecuaciones respectivas para el cálculo de la beta

de corriente alterna (CA) de un transistor.

Figura 5. Cálculo de la βCA de un transistor con base en las curvas características.

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Basado en la ilustración de la Figura 5, calcula la beta de corriente alterna para tres puntos distintos de la zona activa, basándote en la estrategia anterior de los puntos Q1, Q2 y Q3. Utiliza las dos curvas consecutivas (la curva para IB2 =90μA y la curva para IB1=30μA). Los resultados de estos cálculos te servirán para llenar la siguiente tabla:

Punto Q1 Punto Q2 Punto Q 𝐼𝐼𝐶𝐶 2 − 𝐼𝐼𝐶𝐶 1 𝛽𝛽𝐶𝐶𝐴𝐴 = ℎ𝑓𝑓𝑒𝑒 = 𝐼𝐼 (^) 𝐵𝐵 2 − 𝐼𝐼𝐵𝐵 1

8. Medición de la resistencia de salida r o. La Figura 6 muestra una gráfica y las ecuaciones respectivas para el cálculo de

la resistencia de salida de un transistor.

Figura 6. Cálculo de la rO de un transistor con base en las curvas características.

Basado en la figura, obtén la resistencia de salida del transistor para cada una de las curvas características obtenidas en la presente práctica.

Realiza la medición de este parámetro, tomando dos puntos de voltaje V CE centrados en la zona activa; enseguida, llena la siguiente tabla:

Resistencia de salida rO Para I B1= 30μA Para I B2= 90μA