TEMA II Electrónica Analógica Electrónica II 2007

2 Electrónica Analógica 2.1 Amplificadores Operacionales. 2.2 Aplicaciones de los Amplificadores Operacionales. 2.3 Filtros. 2.4 Transistores.

2.4 Transistores El transistor bipolar Funcionamiento básico Polarización Zonas de trabajo Punto de trabajo Q Análisis de circuitos con transistores bipolares El transistor de efecto de campo

El transistor bipolar Dispositivo semiconductor que permite el control y regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. Los símbolos que corresponden al bipolar son los siguientes: El nombre se refiere a su construcción como semiconductor. Un circuito con un transistor NPN se puede adaptar a PNP.

Funcionamiento básico Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base por lo que la lámpara no se encenderá. Toda la tensión se encuentra entre Colector y Emisor. Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por la Base yuna intensidad muy grande dese el Emisor al Colector. IE > IC > IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE

Polarización Para que trabaje en modo activo: invertido Para que trabaje en modo activo: La unión base - emisor se polariza directamente y La unión base - colector se polariza inversamente. IC IE IB VCB VBE IC IE IB VEB VBC Transistor NPN Transistor PNP

El Transistor como amplificador de corriente: Polarización El Transistor como amplificador de corriente: Ganancia en corriente en emisor común  entre 50 y 200. Un valor típico es 100, pudiendo ser 1.000 para dispositivos especiales.

La corriente de emisor: Polarización La corriente de emisor: IE = IC + IB IE = [(b + 1)/b]*IC IC = a * IE El transistor se puede considerar una fuente dependiente de corriente controlada por corriente b a = ----- b + 1 a b = ----- a - b a es la ganancia en corriente en base común  menor que 1. Pequeños cambios en a producen grandes cambios en b.

Zonas de trabajo CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto. IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat SATURACION.- Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. La tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el Colector. Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. Como si fuera un interruptor. ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente. La ganancia relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de base: ß = IC / IB

Zonas de trabajo SATURACIÓN ACTIVA DVCE DICE CORTE

Zonas de trabajo Saturación Corte Activa VBE ~ 0,8v < 0,7v ~ 0,7v VCE ~ 0 ~ VCC Variable VBC ~ VCC ~ 0 Variable IC < bIB = ICEO~ 0 = bIB IB Variable = 0 Variable

Punto de trabajo (Q) Obtener el punto de trabajo Q de un dispositivo consiste básicamente en obtener el valor de las diferentes tensiones y corrientes que se establecen el funcionamiento el mismo en su punto más estable. El análisis del punto de trabajo de un dispositivo, se puede llevar a cabo de dos formas diferentes: analítica (realizando un análisis matemático de todas las ecuaciones implicadas) o gráfica ( recta de carga en continua). Método analítico, se basa en resolver el sistema de ecuaciones que se establece teniendo en cuenta: Las leyes de Kirchoff aplicadas a tensiones y corrientes. El comportamiento del T según la región de funcionamiento. Las relaciones eléctricas del circuito de polarización usado.

Punto de trabajo (Q) Seis variables definen el comportamiento de los TB npn: IB , IC , IE , VCE , VBE y VBC Tres estructuras de funcionamiento: emisor común, base común y colector común Normalmente los fabricantes suelen dan la información correspondiente a emisor común. Donde: IE = IB + IC ; VCE = VBE – VBC Para obtener el punto Q solamente es necesario: IBQ, ICQ ; VCEQ y VBEQ

Punto de trabajo (Q) Dado que lo que se busca son las tensiones y corrientes en continua: Anular los generadores de corriente o tensión alterna (los de tensión se sustituyen por cortocircuitos y los de corriente por circuitos abiertos). Sustituir por circuitos abiertos los condensadores y por cortocircuitos las inductancias. El punto Q se encuentra siempre sobre la recta de carga en continua. Un método para elegir el punto Q adecuado se basa en representar previamente la recta de carga, para poder evaluar las diferentes posibilidades.

En saturación VCE=0,2 -> VCE=0: Punto de trabajo (Q) En saturación VCE=0,2 -> VCE=0: IC sat = EC/RC EC = IC sat * RC (0, EC/RC ) RC RB EC EB EC = VCE (EC , 0) En corte IC=0: EC = ICRC + VCE

Pendiente de la recta de carga: -1/RC Punto de trabajo (Q) RC EC RC RB EC Q IBQ=100mA EB EC = ICRC + VCE Pendiente de la recta de carga: -1/RC

Análisis con transistores Considerar el circuito de la figura: Si trabaja en conmutación es un Inversor lógico digital básico. RC RB V vI vo VCC GND

Análisis con transistores La relación IC = a * IE únicamente se cumple para la zona activa: Suponemos que el transitor está en zona activa. 1. Se calcula Ic utilizando la ecuación: IC = a * IE 2. Se calcula Ic utilizando la ecuación: VC = VCC - RC*IC 3. Se verifica si VC >= 0.7 3.a- Si VC >= 0.7 nuestra suposición es correcta 3.b- Si VC < 0.7 el transistor está en saturación La saturación ocurre cuando se fuerza una corriente IC mayor de la que el transistor puede soportar en modo activo. La máxima IC sin que el transistor se salga del modo activo se evalúa para VCB = 0.

El transistor de Efecto de Campo La corriente se controla mediante tensión: Cuando funcionan como amplificador suministran una corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada. Se empezaron a construir en la década de los 60. Características generales: • Por el terminal de control no se absorbe corriente. • Una señal muy débil puede controlar el componente. • La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico. Existen dos tipos de transistores de efecto de campo: JFET (transistor de efecto de campo de unión) MOSFET: ocupan menos espacio que los bipolares -> circuitos integrados.

El transistor de Efecto de Campo Los tres terminales se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain) Pueden ser de canal N: o de canal P: Parámetros FET de canal N Parámetros FET de canal P

El transistor de Efecto de Campo La curva característica del FET define su funcionamiento. En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes: • Zona lineal.- El FET se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la tensión VGS. • Zona de saturación.- El FET, amplifica y se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión VGS que existe entre Puerta (G) y Fuente (S). • Zona de corte.- La intensidad de Drenador es nula. Existen tres configuraciones típicas: Surtidor común (SC), Drenador común (DC) y Puerta común (PC) La más utilizada es la de surtidor común que es la equivalente a la de emisor común en los transistores bipolares. Los FET se utilizan para amplificar señales débiles.

El transistor de Efecto de Campo

El transistor de Efecto de Campo Al variar VDS varia ID permaneciendo constante VGS. Zona lineal: al aumentar VDS aumenta ID. Zona de saturación: al aumentar VDS produce una saturación de ID que hace que ésta sea constante: El transistor trabaja como amplificador Zona de corte: se caracteriza por tener una ID nula. Zona de ruptura: indica la máxima VDS que soportará el transistor. Cuando VGS es cero, ID es máxima.

El transistor de Efecto de Campo CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA: Indican la variación de ID en función de VGS. HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DE LOS FET: Ejemplo: 2N4220 (25º) VGS y VGD.- tensiones inversas máximas soportables por la unión PN: (-30V) IG.- corriente máxima que puede circular por la unión G-S cuando se polariza directamente: (10 mA) PD.- potencia máxima: (300 mW) IDSS.- corriente de saturación cuando VGS=0. Vp.- voltaje umbral o de estrangulamiento. VGS ID = IDSS 1 - VP 2 Ecuación de Shockley