Informe 1 Electrónica II

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 INFORME DE LABORATORIO PRACTICA 1 APLICACIÓN DE FUENTE DE CORRIENTE (POLARIZACIÓN; CARGA ACTIVA) Integrantes: Andrés Nicolás Ballesteros V. Víctor Felipe López O. Diego Felipe Mayorga 20101005053 20101005066 20101005017 Objetivos: Objetivo General: Comprobar mediante la práctica 3 tipos de polarización de transistores bipolares, observando las características de cada una respecto a su efectividad, aplicación e implementación. Objetivos Específicos: 1. Realizar y observar la polarización de un transistor bipolar mediante divisor de voltaje, fuente de corriente en el emisor y por medio de la utilización de una carga activa.  2. Concluir sobre cada una de las polarizaciones teniendo en cuenta lo observado en el laboratorio.  Marco Teórico: Polarización de un transistor bipolar (NPN): La polarización de un transistor BJT consiste en la configuración electrónica, alrededor del dispositivo, que se hace con el fin de localizar a este en alguna de sus regiones de trabajo, obteniendo corrientes y voltajes fijos, previamente decididos. Existen distintos tipos de polarización, cada uno con distintas características, modelos, recursos y análisis, las utilizadas durante esta práctica fueron:  Polarización por divisor de voltaje.  Polarización con fuente de corriente en el emisor (Espejo de corriente básico).  Polarización con fuente de corriente en el emisor y carga activa.

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INFORME DE LABORATORIO PRACTICA 1

APLICACIÓN DE FUENTE DE CORRIENTE (POLARIZACIÓN;

CARGA ACTIVA)

Integrantes:

Andrés Nicolás Ballesteros V.

Víctor Felipe López O.

Diego Felipe Mayorga

20101005053

20101005066

20101005017

Objetivos:

Objetivo General:

Comprobar mediante la práctica 3 tipos de polarización de transistores bipolares,observando las características de cada una respecto a su efectividad, aplicación e

implementación.

Objetivos Específicos:

1. Realizar y observar la polarización de un transistor bipolar mediante divisor de

voltaje, fuente de corriente en el emisor y por medio de la utilización de una carga

activa.

2. Concluir sobre cada una de las polarizaciones teniendo en cuenta lo observado en el

laboratorio.

Marco Teórico:

Polarización de un transistor bipolar (NPN):

La polarización de un transistor BJT consiste en la configuración electrónica,

alrededor del dispositivo, que se hace con el fin de localizar a este en alguna de sus

regiones de trabajo, obteniendo corrientes y voltajes fijos, previamente decididos.

Existen distintos tipos de polarización, cada uno con distintas características,

modelos, recursos y análisis, las utilizadas durante esta práctica fueron:

Polarización por divisor de voltaje.

Polarización con fuente de corriente en el emisor (Espejo de corriente básico).

Polarización con fuente de corriente en el emisor y carga activa.

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Polarización por divisor de voltaje:

Esta polarización como la mayoría de

las de BJT NPN coloca en directo la

unión emisor-base y en inverso la

colector-base, por medio de unafuente de voltaje Vcc que en el caso

del colector pasa primero por una

resistencia llamada Rc, que es una de

las principales causantes de la

corriente en este terminal, mientras

que en el caso de la base podemos

observar la configuración que le da

nombre a esta polarización.

El divisor de voltaje en la base brindaa este terminal la tensión presente en

la resistencia inferior R2, con una impedancia que es el paralelo entre las 2

resistencias que intervienen en el divisor.

Dejando así un modelo equivalente mucho mas sencillo y fácil de

analizar.

Polarización con fuente de corriente en el emisor:

Las fuentes de corriente son ampliamente utilizadas como elementos de polarizacióny como cargas activas en etapas amplificadoras. Estas fuentes son insensibles a

variaciones de los voltajes y de la temperatura, además, son más económicas que los

elementos resistivos en términos de área de ocupación, especialmente cuando las

corrientes son bajas.

Para poder polarizar un transistor con una fuente de corriente primero es necesariocrear esta por medio de los denominados espejos de corriente básicos, que están

formados por 2 transistores idénticos y cuya configuración permite obtener 2

corrientes idénticas en el colector de ambos dispositivos debido al siguiente análisis:

Ilustración 1. Polarización por divisor de voltaje.

Ilustración 2. Modelo

equivalente PDV

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Teniendo en cuenta que:

Y que los 2 transistores son idénticos

( )

Entonces:

La corriente en este espejo está determinada por la siguiente formula, deducida del

análisis de la malla que pasa por la resistencia de referencia, el corto entre la base y el

colector de Q1, la unión Base-emisor y se dirige hacia tierra:

Polarización con fuente de corriente en el emisor y carga activa:

Las fuentes de corriente como cargas activas proporcionanresistencias de alto valor resultando etapas amplificadoras con

elevada ganancia operando incluso con bajos niveles de voltaje

de polarización. Así, la ganancia de voltaje que comúnmente es y que para obtener una gran ganancia se debe

utilizar una RC muy grande, lo cual resulta desfavorable a la

hora de economizar espacio e incluso cuando se está realizandola polarización para obtener las corrientes y ubicar el transistor

en la región deseada, mientras que con esta carga se pueden

lograr ganancias elevadas debido a la gran impedancia de salidade un transistor bipolar.

El análisis de una carga activa es muy similar al del espejo decorriente básico, donde la corriente de salida es equivalente a la

de referencia.

Amplificación de un transistor BJT:

Después de polarizar un transistor en DC y colocarlo en la región activa es posible al

aplicarle una señal AC que esta sea amplificada, pero para este análisis de esta señal,a diferencia de los anteriores es necesario un modelo equivalente del dispositivo, en

el cual se pueda observar la operación interna de este, por esto es necesario mirar al

transistor como un cuadripolo o una red de dos puertas, donde la ganancia estarádeterminada por:

Ilustración 3. Espejo

de corriente básico.

Ilustración 4. Carga

Activa.

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Donde el circuito lineal que determina el cuadripolo es el siguiente:

En el cual hix es la suma de

la impedancia de una

resistencia llamada y un

condensador

, cuyo

resultado es el valor de hie(impedancia de entrada de untransistor en EC), también que es la

transconductancia del transistor entre el colector y el emisor determinado por el

cociente entre la corriente de colector y

el voltaje térmico y finalmente quees la suma de la impedancia de salida y la presente en la unión base-colector del

transistor. Cabe resaltar que la fuente de voltaje presente entre los terminales 1 y 3 es

despreciable, debido a su diminuto valor

Diseño y cálculos:

Para el desarrollo del laboratorio se tomaron 4 parámetros principales, además de los ya

establecidos por el Datasheet del amplificador, sobre los cuales se realizó el diseño y

algunas de las mediciones:

Para el caso de mediciones en AC

Circuitos implementados:

1. CA3086 polarizado por divisor de voltaje:

Ilustración 5. Modelo equivalente BJT

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2. CA3086 polarizado con una fuente de corriente en el emisor:

3. CA3086 polarizado utilizando una carga activa:

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Cálculos:

1. Para la polarización del transistor por divisor de corriente, fue necesario hallar el

valor de cada una de las resistencias que conforman el circuito, teniendo en cuenta

los parámetros antes establecidos.

Teniendo en cuenta el valor del voltaje en cada uno de los elementos de la malla desalida y la corriente que pasa por cada uno de estos la resistencia de colector y

emisor se pueden hallar de la siguiente manera:

Debido a que el voltaje de la resistencia de colector es el mismo que el de la de

emisor y la corriente es aproximadamente igual ya que el transistor posee un Beta

mayor de 100 podemos afirmar que:

En la polarización por divisor de voltaje usualmente la resistencia equivalente de

base es tan solo 10 veces el valor de la de emisor ( , además, el voltaje

equivalente de la fuente de polarización de la base es 0,7V ( mayor que el

voltaje en el emisor ( ), valores que utilizaremos para hallar las

resistencias presentes en el divisor.

Entonces:

Ahora durante el análisis en AC se pretende observar la amplificación del transistor,

para esto como se puede observar en el diagrama del circuito se colocan 2

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condensadores, uno en paralelo con la resistencia de emisor y el otro acoplando el

generador a la base, cada uno durante la práctica de 10µF.

Para el cálculo de la ganancia del amplificador se hay que tener en cuenta 1 factor,

la presencia o no de una resistencia de carga (RL), ya que esta modifica

considerablemente este valor.

Para el amplificador sin presencia de RL:

El cual en el modelo a pequeña señal equivale a:

Y para el caso en el cual hay una RL=330Ω:

2. Durante la polarización con una fuente de corriente en el emisor es necesario hallar

los valores de la resistencia en el colector y en el emisor, pero también una

resistencia de referencia presente en el espejo de corriente de la cual depende el

valor de salida de este. Un espejo de corriente básico está formado de la siguiente manera:

Dónde:

Que para nuestro caso sería:

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Una vez obtenida la corriente mediante el espejo básico, se pueden obtener los

valores de la resistencia de colector de una manera similar a la obtenida en el

divisor de corriente.

En la base del transistor al igual que en el ejercicio anterior hay 0,7V mas que en el

emisor debido a la diferencia de potencial presente en la unión entre estos 2

terminales del dispositivo, pero como se puede observar existe una realimentación

de la base con Vcc, así que se remitió al análisis de la malla de entrada:

Formula en la cual el único valor desconocido es el de Rb, ya que al observar el

Datasheet del dispositivo podemos observar un β igual a 150.

Para la ganancia de este amplificador se emplean las mismas ecuaciones que en la

polarización por divisor de voltaje, donde:

Para el amplificador sin presencia de RL:

El cual en el modelo a pequeña señal equivale a:

Y para el caso en el cual hay una RL=330Ω:

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3. En una polarización utilizando fuente de corriente y con carga activa solo está la

resistencia de base, pero también se deben hallar las resistencias referencia en el

espejo básico y la carga activa de PNP.

La resistencia de base se puede hallar de manera similar al circuito anterior,haciendo el análisis de la malla de salida.

Formula en la cual el único valor desconocido es el de Rb.

Con respecto al punto anterior la corriente deseada en el espejo no ha variado, así

que la resistencia de referencia debe ser la misma.

La carga activa es el siguiente circuito:

En el cual:

Y cuya resistencia se halla analizando la siguientemalla:

En la cual el único valor desconocido es el de laresistencia.

La ganancia en este circuito está determinada por las impedancias de salida el

transistor de la carga activa presente en la malla de salida y el transistor a polarizar,regidos por la siguiente formula:

( )

Valores para los cuales se hizo uso de los Datasheets de los 2 tipos de transistor

(Ver Anexos 1. Y 2.).

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Entonces cuando no hay RL:

Y cuando hay RL=330:

Desarrollo de la práctica:

Desarrollo de los puntos prácticos:

(330Ω)

Med Calc Med Calc Med Calc Med Calc Med Calc Med Calc

1. 3,9 4 4,32 4 3,92 4 1,98 2 -58,2 -153,8 -14,2 -21,7

2. 3,5 4 4,1 4 4,46 4 1,93 2 -59,4 -153,8 -15,6 -21,7

3. - 4 - 4 - 4 - 2 - -136,5 - -24,9

Registro fotográfico:

Salida de voltaje sin RL

( )

Salida de voltaje con RL

( )

1.

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2.

3. - -Nota: Para la polarización 3 utilizando una carga activa no se realizaron mediciones,

debido a que en el laboratorio los transistores presentes en la malla salida y

correspondientes a el espejo de corriente y a la carga activa entraban en estado de

corte (Ver Causas de error ).

4. Lograr esta diferencia de potencial no es sencillo debido a que las corrientesdeterminadas por los distintos tipos de polarización no son como la teoría lo dicta,

el β y la resistividad de otros materiales usados en el montaje las afecta, variando

estos valores con respecto a los esperados, además entran en juego distintosfactores, como las características de cada elemento no tomadas en cuenta durante

los cálculos y los errores de fábrica (la llamada tolerancia) en los parámetros si

utilizados, con respecto a las configuraciones que utilizan espejos de corriente

también entra en juego la ubicación del transistor en la región de trabajo, debido aque algunas veces al incorporar ambos circuitos el transistor presente en el espejo

entra en corte, debido a la impedancia y corriente ofrecida por el resto del circuito apolarizar.

5. Las predicciones con respecto a la teoría en las polarizaciones 1 y 2 como se puede

observar en la tabla de arriba fueron muy aproximadas en lo que respecta a voltajes

y corrientes medidas, mientras que en las amplificaciones, la ganancia no dio lo quese esperaba, dio menos de la mitad sin la resistencia de carga y un poco más de la

mitad de lo que debería dar con la resistencia de 330Ω en la carga, esto debido a que

al realizar los cálculos se tomó el transistor muy parecido al ideal, lo cual hace queal realizar las mediciones no den parecidas.

Análisis de datos:

Al realizar la práctica se pudieron observar varios fenómenos que se pueden relacionar con

los esperados mediante cálculos y que confirmarían lo investigado teóricamente, talescomo:

Mayor estabilidad e insensibilidad en la polarización con espejo de corriente con

respecto a los cambios de voltajes y corrientes, permitiendo así una mejor

polarización y ganancia con respecto a la polarización por divisor de voltaje.

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Sensibilidad en los puntos de operación de un transistor con respecto al tipo de

polarización que se halla implementado sobre este.

Dificultad logrado una diferencia de potencial igual en todos los dispositivos

presentes en la malla de salida.

Variaciones en ganancias, voltajes y corrientes de un circuito dependiendo de los

parámetros de un transistor (impedancia de entrada, impedancia de salida, hfe, hoe,entre otros).

Error:

Punto MediciónValor

CalculadoValor

Medido% de Error

1. 4V 3,9V 2,5% 4V 4,32V 8% 4V 3,92V 2%

2mA 1,98mA 1%

-153,8 -58,2 62,1%

-21,7 -14,2 34.56%

2. 4V 3,5V 12,5% 4V 4,1V 2,5% 4V 4,46V 11,5% 2mA 1,93mA 1,75% -153,8 -59,4 60,78% -21,7 -15,6 28,11%

3. No se realizaron mediciones 100%

Causas de Error: 1. Durante la polarización por divisor de tensión se presentó un promedio de 3,3% de

error en las mediciones de voltajes y corrientes con respecto a lo esperado, esto se

debe principalmente a las variaciones de corriente producidas por el hfe del

transistor entre el colector y el emisor, lo que hace que en el 2do terminal la tensión

sea mayor que en el 1ro, además, al realizar los cálculos tomamos en cuenta

parámetros casi ideales del transistor, lo cual en la realidad no existe, por tanto debe

existir un error como el que observamos, el error promedio de 48,3% en la ganancia

puede ser debido a factores tales como que no se tomó en cuenta el ancho de banda

del amplificador a la hora de realizar las mediciones, además de las variaciones

propias del transistor con las diversas corrientes y voltajes que pueden caer sobre él.

2. En la polarización con una fuente de corriente en el emisor el error promedio en las

mediciones de voltajes y corrientes fue de 7,06%, causado como en el ejercicio

anterior por las variaciones en las corrientes y en consecuencia con los voltajes que

produce el β del transistor y otros factores propios de este no tomados en cuenta

durante los cálculos, mientras que el 44,4% de error en la ganancia puede ser obra

también de los factores no tomados en cuenta del transistor a la hora de hacer los

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cálculos, además de la incorporación de un transistor del espejo de corriente en vez

de una resistencia de emisor, lo cual aporta una impedancia mucho mayor a la

acostumbrada por una Re.

3. En esta polarización hubo un error aproximado al 100% en todas las mediciones,

esto debido a que los parámetros como la impedancia de salida de un transistor NPN

(CA3086) y un PNP (2N3906) son muy distintos, siendo el del primero mayor que

en el segundo, colocando uno de estos transistores en estado de saturación y el otro

en corte, no generando corriente entre estos y voltaje en uno solo, además, los

transistores NPN utilizados eran de parámetros similares, mas no idénticos, lo cual

hacía que debido a estas variaciones propias de la fabricación en estos dispositivos,

la carga activa presentara fallas durante su funcionamiento.

Conclusiones:

Existen diferencias fundamentales entre las características de los distintos tipos de

polarización, principalmente orientados hacia la ganancia y la insensibilidad de

estos al cambio y distribución de tensiones y corrientes.

Una polarización por divisor de voltaje brinda al circuito los voltajes y tensiones

necesarias para su operación, pero es muy sensible a los cambios que se puedan

realizar en el circuito, provocando así una ganancia no muy buena y con un alto

porcentaje de error.

A pesar de poseer un porcentaje de error elevado la polarización utilizando una

fuente de corriente le brinda al circuito cierta estabilidad, ya que no se ve

perturbada considerablemente al cambiar algunas de las variables de este, pero

se debe realizar teniendo en cuenta los parámetros básicos de los transistores enel espejo y a polarizar.

Las características de una polarización utilizando carga activa son de muy buena

calidad, más en su aplicación práctica hay que tener en cuenta muchos de los

parámetros que poseen los transistores, logrando un buen equilibrio entre estos

que permita la correcta implementación de este.