El transistor Estructura física y aplicaciones Asier Ibeas Hernández PID_00170129 Los textos e imágenes publicados en esta obra están sujetas –excepto que se indique lo contrario– a una licencia de Reconocimiento-Compartir igual (BY-SA) v.3.0 España de Creative Commons. Podéis modificar la obra, reproducirla, distribuirla o comunicarla públicamente siempre que citéis el autor y la fuente (FUOC. Fundació per a la Universitat Oberta de Catalunya), y siempre que la obra derivada quede sujeta a la misma licencia que el material original. La licencia completa se puede consultar en http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/es/legalcode.es. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor Índice Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. 9 El transistor bipolar de unión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Estructura de un transistor BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2. Mecanismos internos de funcionamiento de un BJT . . . . . . . . . . 12 1.2.1. El BJT con fuentes de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2. La influencia de la base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3. Configuraciones del BJT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4. Características intensidad-voltaje de un BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.1. Características I-V en base común . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.2. Ecuaciones en emisor común . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4.3. Representación gráfica de las características I-V . . . . . . . 26 1.5. 2. Análisis de las regiones de operación del BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.5.1. Región activa directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.5.2. Región de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.5.3. Región de saturación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.5.4. Conclusión sobre las regiones de operación . . . . . . . . . . 40 1.6. Efectos térmicos en los transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.7. Recapitulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 El transistor a frecuencias intermedias y pequeña señal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1. 45 2.1.1. Punto de trabajo del BJT y recta de carga . . . . . . . . . . . . . 45 2.1.2. Topologías de circuitos de polarización . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.1.3. Diseño de redes de polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.2. ¿Qué significa pequeña señal y frecuencia intermedia? . . . . . . . 63 2.3. Modelos lineales del transistor BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.3.1. Modelo de parámetros híbridos del BJT . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.3.2. Modelo de parámetros r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Análisis de un circuito amplificador lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.4.1. Configuración del emisor común . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.4.2. Configuración de base común . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.4.3. Configuración de colector común . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 2.4.4. Resumen de los tipos de amplificadores . . . . . . . . . . . . . . 91 Recapitulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 El transistor de efecto de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1. 95 2.4. 2.5. 3. Polarización y punto de trabajo del transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . Diferencias y parecidos del FET con el BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CC-BY-SA • PID_00170129 3.2. 3.3. El transistor El FET de unión, JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.2.1. Terminales del JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.2.2. Símbolos circuitales y configuraciones del JFET . . . . . . . 99 Características de intensidad-voltaje del JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3.1. Influencia de la tensión de drenador en ausencia de tensión de puerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3.2. Influencia de la tensión de drenador con tensiones de puerta negativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.3.3. 3.4. 3.4.1. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 4. Zonas de trabajo de un JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Circuitos de polarización para el JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Circuito de polarización elemental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 El FET en pequeña señal y a frecuencias intermedias . . . . . . . . . . 121 3.5.1. Modelo lineal del JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.5.2. Topología de amplificación con JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 El FET de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) . . . . . . . . . . . . . 128 3.6.1. El MOSFET de acumulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 3.6.2. El transistor MOSFET de deplexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Circuitos MOSFET digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 3.7.1. Conceptos de electrónica digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.7.2. Puerta NOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 3.7.3. Puerta NOT real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 3.7.4. Puerta NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Recapitulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Problemas resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.1. Enunciados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.2. Resolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Ejercicios de autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Solucionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 5 Introducción En el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”, habéis estudiado el comportamiento de la unión PN y su utilización en el diseño de un dispositivo semiconductor llamado diodo. La principal aportación de ese dispositivo al diseño de circuitos eléctricos era que permitía implementar de un modo sencillo funciones que no podían desempeñarse con los componentes eléctricos de la época, que en la década de 1950 consistían en resistencias, condensadores y bobinas. En concreto, se trataba de su utilización como interruptor eléctrico. En este sentido, el diodo permitía diseñar circuitos para nuevas aplicaciones y estimuló enormemente la investigación en dispositivos de estado sólido basados en semiconductores. El módulo que ahora comenzáis tiene por objetivo conocer uno de los dispositivos semiconductores de estado sólido más importantes, el transistor. Además, después de presentar sus fundamentos, profundizaremos en sus aplicaciones en el diseño de circuitos eléctricos. El transistor es un elemento de tres terminales, es decir, que dispone de tres Dispositivos de estado sólido Los dispositivos de estado sólido son aquellos dispositivos construidos enteramente de materiales sólidos donde los portadores de carga se encuentran confinados por completo en su interior. Hoy por hoy, esta denominación suena extraña, pero históricamente este término se ideó en contraposición a las tecnologías electrónicas anteriores basadas en tubos de vacío o dispositivos de descarga de gases y a los dispositivos electromecánicos (como interruptores o conmutadores) con partes móviles. Amplificador conexiones externas, y puede cumplir un amplio abanico de funciones. Sin embargo, las más extendidas son la función de interruptor eléctrico y la función de amplificador. Ambas funciones desempeñan papeles fundamentales en la electrónica actual. En este sentido, es interesante resaltar que podemos diseñar puertas lógicas para circuitos digitales gracias a un transistor que opera como interruptor eléctrico. Por otro lado, los circuitos de amplificación también desempeñan un papel fundamental en la electrónica moderna al formar parte de multitud de dispositivos tanto profesionales como de consumo. A modo de ejemplo, podemos citar los aparatos de reproducción de audio y vídeo. La clave del proceso de amplificación que lleva a cabo el transistor proviene del hecho de que la corriente que circula por dos de sus terminales es proporcional a la corriente que circula por el tercero. Ésta es la idea fundamental del concepto de transistor y que deberéis tener en mente a lo largo del módulo. En este módulo, vamos a trabajar en la región de baja frecuencia. . Entendemos por baja frecuencia aquella región de frecuencias de la señal de entrada cuya longitud de onda es mucho más grande que las dimensiones del circuito. También se consideran señales de baja frecuencia las señales constantes o de continua. Un circuito trabaja como amplificador cuando a la salida proporciona un valor de tensión o corriente superior al que hay en la entrada. CC-BY-SA • PID_00170129 6 En esta situación, los efectos de propagación de ondas (de tensión y de corriente) de una parte a otra del circuito se pueden despreciar. Existen dos tipos fundamentales de transistores utilizados en electrónica de baja frecuencia: • El transistor bipolar de unión, BJT (por sus siglas en inglés, Bipolar Junction Transistor). • El transistor de efecto de campo, FET (por su siglas en inglés, Field Effect Transistor). El objetivo de este módulo es que conozcáis la estructura física de estos dispositivos y que utilicéis sus propiedades, fundamentalmente, en el diseño de circuitos de amplificación. Así, el estudio de ambos transistores está articulado en dos partes diferenciadas: una para el BJT, que se recoge en los apartados 1 y 2, y otra para el FET contenida en el apartado 3. Cada una está organizada siguiendo la misma estructura: 1) En primer lugar, conoceremos la estructura física del dispositivo, veremos de qué partes está compuesto y fijaremos la nomenclatura y notación para ellas. 2) A continuación, obtendremos el modelo que define su comportamiento eléctrico desde el punto de vista de sus terminales. Esto nos permitirá disponer de ecuaciones matemáticas que describen el dispositivo y que se pueden utilizar posteriormente para establecer el análisis de los circuitos de los que forma parte. 3) Por último, estudiaremos algunas aplicaciones típicas (fundamentalmente de amplificación) junto con sus procedimientos de análisis y diseño. Podréis encontrar junto a la teoría varios ejemplos de aplicación que aclaran los conceptos expuestos. Es conveniente que los reproduzcáis vosotros mismos para entender bien cómo se utiliza el modelo eléctrico del transistor al ejecutar el análisis del circuito. También utilizaremos con bastante frecuencia ciertos métodos de análisis como las leyes de Kirchhoff y el teorema de Thévenin, que son las herramientas fundamentales de la teoría de circuitos, para analizar circuitos con transistores. Es conveniente que repaséis estos métodos antes de comenzar con la lectura del módulo. Para ello, se han reunido los más importantes en el anexo con el objeto de que los tengáis muy a mano. De esta forma, ya podréis comenzar estudiando el transistor BJT en el primer apartado. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 7 Objetivos Los objetivos de este módulo son los siguientes: 1. Conocer la estructura física de los transistores más utilizados en baja frecuencia. 2. Conocer los modelos eléctricos utilizados para la descripción de su funcionamiento. 3. Calcular el punto y región de trabajo de un transistor. 4. Aprender a diseñar redes de polarización de transistores. 5. Conocer configuraciones típicas de circuitos amplificadores. 6. Analizar el funcionamiento de circuitos de amplificación basados en transistores. 7. Conocer cómo sintetizar puertas lógicas utilizando transistores. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 9 1. El transistor bipolar de unión . En este apartado, vais a conocer la estructura física y el principio de funcionamiento del transistor bipolar de unión (BJT). Para ello, vamos a estudiar en el subapartado 1.1 qué tipo de materiales semiconductores conforman un BJT y cómo están dispuestos. A continuación, en el subapartado 1.2, veremos cuáles son los mecanismos básicos de funcionamiento del transistor. El transistor, al ser un componente de tres terminales, puede trabajar en diferentes configuraciones en función del papel que cada terminal desempeñe en relación con el resto del circuito. El concepto de configuración y las posibles configuraciones del BJT serán introducidas en el subapartado 1.3. Después, en el subapartado 1.4, os mostraremos las ecuaciones que describen el comportamiento eléctrico del transistor desde el punto de vista de sus terminales. Es decir, formularemos matemáticamente su comportamiento con respecto a las variables eléctricas externas existentes entre ellos. Una vez tengamos disponible el modelo eléctrico, podremos sustituir el transistor por este conjunto de ecuaciones y ser capaces de analizar el comportamiento de los circuitos basados en él como haremos en el apartado 2 de este módulo para analizar los circuitos de amplificación. Las ecuaciones que describen eléctricamente el BJT son ecuaciones no lineales que, como veréis, exhiben un abanico muy grande de comportamientos. Lo que haremos entonces en el subapartado 1.5 es presentar estos diferentes comportamientos que definen las llamadas regiones de operación del BJT. Por último, trataremos brevemente cómo es la dependencia del comportamiento del transistor BJT con la temperatura en el subapartado 1.6. En general, prácticamente todos los dispositivos electrónicos se ven afectadas de una manera u otra por la temperatura y el BJT no es ninguna excepción. Hasta este punto, habremos introducido la física y el funcionamiento básico del BJT. La pregunta que podríais plantearos ahora es ¿qué podemos hacer con el BJT en un circuito? En el apartado 2, daremos una respuesta a esta pregunta y utilizaremos el BJT en el diseño de circuitos de amplificación. ¿Qué vamos a aprender? En este apartado, aprenderéis: • La estructura física de un transistor BJT. • El mecanismo básico de funcionamiento del BJT. • Los diferentes modos de operación que puede tener un BJT. • Un modelo matemático del comportamiento eléctrico del transistor. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 10 ¿Qué vamos a suponer? Supondremos que tenéis conocimientos de análisis de circuitos y de la unión PN alcanzados en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”. En particular: • Que conocéis las leyes de Kirchhoff. • Que conocéis la característica intensidad-corriente de un diodo. • Que conocéis el comportamiento de la unión PN en equilibrio. • Que conocéis la función exponencial y sus principales características. Ahora, vamos a empezar el módulo con la estructura física del transistor BJT. 1.1. Estructura de un transistor BJT El transistor bipolar de unión (BJT) fue descubierto casi por casualidad en los Laboratorios Bell en 1947 por Bardeen, Brattain y Shockley y constituye el primer tipo de transistor inventado. El nombre bipolar hace referencia a que, en él, el transporte de corriente lo realizan tanto electrones como huecos. Huecos El hueco representa una partícula con carga positiva igual en valor absoluto a la de un electrón. Descubridores del BJT Los descubridores del BJT fueron galardonados con el premio Nobel de Física por este motivo en el año 1956. Posteriormente, en 1972, Bardeen fue premiado otra vez junto a Cooper y Schrieffer con el Nobel por su teoría de la superconductividad. Así se convirtió en la primera persona de la historia en recibir dos premios Nobel de Física. El BJT se construye a partir de un bloque de semiconductor en el que podemos distinguir tres partes, como muestra la figura 1. Cada una de ellas está dopada de forma alternativa. Figura 1 Bloque de un material semiconductor al que se ha dividido en tres partes. Cada una de estas partes estará dopada de una forma determinada. Figura 1. Bloque semiconductor monocristalino con tres partes diferenciadas Tipos de dopaje Así, se podría empezar con un dopaje tipo N para continuar con uno de tipo P y finalizar con otro de tipo N como muestra la figura 2. Una impureza de tipo N es aquella que proporciona exceso de electrones y una de tipo P, la que proporciona exceso de huecos. Figura 2. Dopaje NPN Figuras 2 y 3 E N P B N C Representación de los posibles tipos de dopaje de la barra de semiconductor dividida en tres partes, con dopaje N en los extremos y P al centro y viceversa: P en los extremos y N al centro. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 11 Alternativamente, se podría dopar inicialmente tipo P, luego N y por último P de nuevo como muestra la figura 3. Figura 3. Dopaje PNP E P N P C B . De esta forma, hemos obtenido los dos tipos de transistor BJT que hay –el NPN y el PNP– según los tipos de dopaje empleados. Como veis, poseen tres partes bien definidas que hacen que el BJT sea un elemento de tres terminales: • La parte central del dispositivo se denomina base, B. • Un extremo se denomina emisor, E. • El otro extremo se denomina colector, C. Esta nomenclatura ya se ha utilizado en las figuras 2 y 3, donde podéis observar los tres terminales identificados por sus siglas, emisor (E), base (B) y colector (C). Con objeto de simplificar su representación circuital, se han elegido internacionalmente los símbolos mostrados en las figuras 4 y 5 para indicar el transistor NPN y el PNP respectivamente. Notad que es el sentido de la flecha el que diferencia a un tipo de transistor de otro. Figura 4. Símbolo circuital del transistor NPN C Figura 4 Símbolo circuital internacional del BJT de tipo NPN. Terminales del BJT B E Normalmente, no se escriben las letras que representan cada terminal del transistor en los circuitos eléctricos. Por eso, es importante saber identificar bien cuál es cada uno a partir únicamente de su símbolo circuital. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 12 Figura 5. Símbolo circuital del transistor PNP Figura 5 C B Símbolo circuital internacional del BJT de tipo PNP. E Símbolos de los transistores Una regla que permite recordar el símbolo de ambos tipos de transistores es que la flecha siempre está en uno de los terminales (en concreto en el emisor) apuntando desde el dopaje P hacia el N. Otra forma de recordar el símbolo de los transistores es que el de tipo PNP PiNcha porque la flecha está dirigida (pincha) al transistor, mientras que el NPN No PiNcha al tener la flecha hacia fuera. Como podéis observar en las figuras 2 y 3, el BJT consiste básicamente en dos uniones PN dispuestas de forma opuesta. De hecho, buena parte del comportamiento del transistor depende de esta configuración. No obstante, no se trata de dos uniones aisladas, debido a que ambas forman parte de un mismo bloque semiconductor. Por lo tanto, hay efectos de acoplamiento entre ellas que se deberán tener en cuenta para explicar su funcionamiento. Intentemos conocer los mecanismos internos de funcionamiento de un BJT. De este modo, podremos llegar a deducir un modelo eléctrico del dispositivo. 1.2. Mecanismos internos de funcionamiento de un BJT En este subapartado, introduciremos los mecanismos internos fundamentales de funcionamiento de un BJT. Para ello, nos centraremos en los NPN, que son los que se utilizan en la mayoría de aplicaciones. Este hecho no representa un problema importante porque podríais obtener los mismos resultados para los de tipo PNP simplemente intercambiando las palabras electrón y hueco en los desarrollos teóricos y cambiando el signo de las corrientes en las ecuaciones. Fijaos, en primer lugar, en la unión PN entre el emisor y la base mostrada en la figura 2. A través de esta unión, pasarán electrones del emisor a la base y huecos de la base al emisor debido a los procesos de difusión. Como ilustra la figura 6, esta difusión de portadores creará una zona de carga espacial (ZCE), que es una región del material donde, en situación de equilibrio del semiconductor, no hay portadores libres (electrones y huecos). Semiconductores en equilibrio Un semiconductor se dice que alcanza el equilibrio cuando no dispone de fuentes de tensión externas conectadas a él y llega a una situación estable en la que no se producen movimientos de cargas en su interior. Ved también En el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”, ya estudiasteis la zona de carga espacial (ZCE) en relación con la unión PN. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 13 Figura 6. Generación de las zonas de carga espacial N E ZCE ZCE +– –+ +– P +– –+ Figura 6 C N –+ r r EEB ECB Formación de zonas de carga espacial (ZCE) en las dos uniones PN que forman el transistor. B Al no haber portadores libres, las únicas cargas que permanecen en la zona espacial de carga son las de los iones de la red cristalina, positivos en el lado del emisor y negativos en el lado de la base. Estas cargas fijas generan un campo eléctrico tal como muestra la figura 6. En la unión entre la base (B) y el colector (C), ocurre un proceso de difusión semejante que da lugar al Red cristalina La red cristalina está formada por los átomos fijos del material que forman una estructura periódica en el espacio. correspondiente campo eléctrico como representa también la figura 6. El campo eléctrico generado actúa como una barrera de potencial para los Energía cinética electrones que quieren pasar del emisor (E) a la base (B) de tal forma que sólo aquéllos con suficiente energía cinética pueden saltarla y pasar a la zona de la base. Sin embargo, en el equilibrio, no hay flujo de corriente dentro del dispositivo, ya que los electrones internos no tienen la suficiente energía como para atravesar la barrera. Será necesario proporcionarles de alguna manera una energía cinética mayor. Veamos cómo podemos hacerlo. La energía cinética de un objeto es la energía que posee debido a su estado de movimiento. En concreto, su valor depende de la velocidad y de la masa del objeto a través de la ecuación Ec = 21 mv 2 . 1.2.1. El BJT con fuentes de tensión Una forma de dotar a los electrones de suficiente energía para atravesar la barrera es conectar el dispositivo a unas fuentes de tensión externas como muestra la figura 7. En ella, se han colocado dos fuentes de tensión, denominadas VEE y VCC , conectadas a los terminales de emisor y de colector respectivamente y que comparten la tierra junto con la base. Figura 7. Aplicación de fuentes de tensión al transistor ZCE ––++ N P ––++ Figura 7 IC C N ––++ – + Notad que la fuente de tensión VCC se corresponde con el potencial existente entre la base y el colector y el potencial de fuente VEE se corresponde con el potencial existente entre la base y el emisor. ZCE IE E Tensiones de las fuentes VEE IB B VCC + – Representación de un BJT al que se le han colocado dos fuentes externas de tensión continua. Como consecuencia, el tamaño de las zonas de carga espacial ha cambiado. La ZCE de la unión emisor-base se ha reducido, mientras que la de la unión base-colector ha aumentado. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 14 El efecto de estas fuentes de tensión colocadas en esta configuración en concreto es disminuir el potencial de la barrera entre el emisor y la base y aumen- Movimiento de electrones tar el potencial de la base al colector como muestra la figura 7. Esto es posible ya que el polo negativo de la fuente VEE proporciona electrones al emisor y, por lo tanto, la acumulación de cargas se reduce en la zona de esa unión. Como resultado, el potencial de la barrera disminuye. Entonces, la energía cinética de los electrones es ahora suficiente para atravesar la unión con un potencial menor y el emisor puede inyectar electrones a la base. Estos electrones la atraviesan y discurren hacia el colector, que los colecta, ya que la unión base-colector puede ser atravesada gracias a la acción del campo eléctrico (muy grande) que aparece en ella. Este campo eléctrico aparece debido a la existencia de una zona espacial de carga en la unión basecolector que se incrementa por la conexión de una fuente externa. Es conveniente destacar que todo el proceso acaba creando una corriente eléctrica a través del dispositivo. La fuente externa tiene por misión proporcionar al emisor los electrones que inyecta hacia la base. Según el valor de las tensiones VEE y VCC aplicadas, las barreras disminuirán o aumentarán más o menos y, por lo tanto, la colocación de estas fuentes permite controlar el flujo de electrones a través del dispositivo. Merece la pena detenerse un poco más en dos puntos: • ¿Qué hubiera pasado si las fuentes se hubieran conectado de forma inversa? En este caso, se habría hecho más grande la barrera de potencial entre el emisor y la base, lo que habría hecho más difícil el paso de electrones a través de la unión. Esto se debe a que la tensión proporcionada por la fuente se habría sumado a la que crea la distribución de cargas inicial y habría atraído más electrones al otro lado de la unión. Como consecuencia, la intensidad del campo eléctrico y del potencial asociado habría aumentado. Por otro lado, los electrones que pudieran llegar a la base no se precipitarían hacia el colector debido a que el campo eléctrico en la unión basecolector se habría debilitado. Por lo tanto, si se conectaran las fuentes de forma inversa, se estaría favoreciendo que el dispositivo funcione como un aislante. De estas consideraciones, podéis deducir el papel tan importante que desempeñan las fuentes y, en general, los circuitos exteriores en el comportamiento del transistor. . A los circuitos externos que permiten configurar el comportamiento del transistor se les llama circuitos o redes de polarización. Recordad que el sentido de la corriente eléctrica es, por convenio, el contrario al flujo de electrones. Fuerza eléctrica Recordad que la fuerza eléctrica está dada por ~F = q~E, donde ~E representa el campo eléctrico y q, la carga que sufre el efecto del campo. Entonces, si q < 0, como les pasa a los electrones, la fuerza eléctrica posee sentido contrario al campo. CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 15 La fuente de tensión conectada al emisor, la conectada al colector y la base están unidas entre sí como se puede ver en la figura 7, es decir, ambas fuentes tienen la base en común. Hechos estos comentarios, podemos seguir con los mecanismos de funcionamiento del dispositivo. Nos habíamos quedado en que los electrones pueden atravesar la barrera entre el emisor y la base y continuar empujados por el campo eléctrico de la otra unión en su camino hacia el colector, lo que crea así una corriente eléctrica. Sin embargo, éste no es el único fenómeno que ocurre, ya que los electrones deben atravesar la base y ésta influye en el comportamiento de la corriente generada. Y, ¿qué pasa con la corriente de base? ¿De dónde sale? Lo vamos a ver a continuación. 1.2.2. La influencia de la base En este subapartado, vamos a ver cómo afecta la base al flujo de cargas dentro del dispositivo. Cuando, en su camino hacia el colector, los electrones entran en la base, pueden empezar a recombinarse con los huecos que hay en ésta. Es decir, pueden ir ocupando el espacio que han dejado vacío los huecos que han migrado al emisor. De esta forma, no todos los electrones que han atravesado la primera unión llegan a la segunda, sino sólo una parte de ellos. Podéis ver este fenómeno representado en la figura 8. En ella, podéis ver que, de todo el flujo de electrones, una parte se recombina y otra llega al colector. A la αF se lee alfa sub efe. proporción de electrones que llega al colector se le llama αF . Figura 8. Recombinación de los electrones en la base IE P N E – –– – – – ––++ ––++ Figura 8 IC N C ––++ Huecos – + Recombinación VCC IB VEE + – B . A la proporción de electrones que llegan al colector se le denota por αF y se le llama transferencia de electrones. El valor de αF está comprendido en el intervalo 0 ≤ αF ≤ 1. Lo que interesa es que este valor sea lo más grande posible para que se pierdan en la base los menos electrones posibles. En dispositivos reales, toma valores que pueden ir desde 0,990 hasta 0,997. Para conseguir este valor de αF tan cercano a la unidad, es necesario hacer la base muy estrecha, así los electrones llegan al Algunos de los electrones que entran en la base se recombinan con los huecos que hay en ésta y no contribuyen al flujo de corriente a través del dispositivo. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 16 colector más fácilmente sin recombinarse. Ésta es, de hecho, una de las características de la estructura básica del BJT. Por otro lado, al rebajarse la barrera de potencial entre el emisor y la base, es decir al estar en la situación mostrada en la figura 7, también existe un flujo de huecos desde ésta hacia el emisor, ya que ahora también es más fácil para ellos atravesar la barrera. El flujo de huecos reduce la corriente neta que atraviesa la unión y, por lo tanto, nos interesa minimizarlo. Para ello, lo que se hace es dopar con mucha más fuerza la parte del emisor que la de la base. Entonces, el flujo de huecos hacia el emisor no disminuye, pero tan sólo representa una parte muy pequeña del flujo total de carga. Podríais haber pensado que el BJT es un dispositivo simétrico en el sentido Ved también En el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”, se estudian los tipos de dopaje y el concepto de dopaje fuerte. en el que el papel del emisor y el colector son intercambiables. Sin embargo, este dopaje mucho más fuerte del emisor obliga a que los terminales estén etiquetados adecuadamente, ya que su estructura física es diferente y, por lo tanto, rompemos la simetría del dispositivo. . A modo de conclusión, el BJT está compuesto por tres zonas con dopajes alternativos, emisor, base y colector, de tal forma que: • La base es muy estrecha en comparación con el emisor y el colector. • El emisor está más fuertemente dopado que la base y el colector. Como hemos visto, el BJT posee tres terminales y las características de los dopajes en cada zona hacen que no sean intercambiables entre sí. Por lo tanto, la forma en la que el BJT está incluido en un circuito desempeña un papel crucial de cara a su comportamiento. A continuación, veremos de qué formas podemos incluir el BJT en circuitos eléctricos o, dicho con otras palabras, cuáles pueden ser las configuraciones del BJT. 1.3. Configuraciones del BJT En general, en todos los circuitos de los que formen parte transistores BJT, los Circuitos de polarización circuitos de polarización introducidos en el subapartado 1.2.1 compartirán un terminal del transistor. Según cuál sea este terminal común, se dice que el BJT trabaja en una configuración diferente. . El BJT se puede encontrar entonces en una de las siguientes configuraciones: • Base común, si el terminal común es la base. • Emisor común, si el terminal común es el emisor. • Colector común, si el terminal común es el colector. Recordad que a los circuitos externos que permiten configurar el modo de funcionamiento del transistor se les llama circuitos de polarización. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 17 Los transistores mostrados en el subapartado 1.2 para introducir la estructura del BJT estaban en base común, ya que las fuentes de tensión compartían la tierra con la base, es decir tenían ese terminal común. Para enfatizar el hecho de que uno de los terminales es común y representarlo adecuadamente en los esquemáticos, lo que se hace habitualmente es duplicar el terminal común para que se vea explícitamente cómo se comparte entre los dos circuitos. Entonces, pasamos de tener un elemento de tres terminales a tener uno de cuatro, donde uno de los terminales está duplicado, es decir, es el mismo. En la figura 9, podéis ver un transistor BJT en configuración de emisor común donde ya hemos usado la representación circuital del BJT de tipo NPN introducida en la figura 4. Como podéis ver en la figura 9, el terminal de emisor está duplicado, por lo que dos terminales están etiquetados como E en la figura 9. Además, también se pueden apreciar los otros dos terminales que no se comparten. Habitualmente, el terminal que está situado a la izquierda del dibujo recibe el nombre de entrada del transistor y el que está situado a la derecha recibe el nombre de salida. Figura 9. Representación de un BJT en emisor común C B Figura 9 Representación de un BJT en emisor común. La entrada sería la base y la salida, el colector. E E De la misma forma, las figuras 10 y 11 muestran la interpretación de las configuraciones de base y colector común donde puede apreciarse el terminal común duplicado en cada caso. Figura 10. Representación de un BJT en base común C E B B Figura 11. Representación de un BJT en colector común E B C C Figura 10 Representación de un BJT en base común. La entrada sería el colector y la salida, el emisor. Figura 11 Representación de un BJT en colector común. La entrada sería la base y la salida, el emisor. CC-BY-SA • PID_00170129 18 . La representación del transistor como un elemento de cuatro terminales recibe con frecuencia el nombre de representación en forma de bipuerta. Una bipuerta es un elemento circuital que posee cuatro terminales (dos por cada puerta) de modo que las intensidades y corrientes en cada uno se pueden relacionar por medio de ecuaciones algebraicas. Ahora que ya conocéis la estructura física de un transistor BJT y las diferentes configuraciones en las que se puede utilizar, vamos a ver un modelo eléctrico que nos permita analizar los circuitos donde aparezca el transistor. Esto se consigue gracias a las características intensidad-voltaje del transistor. 1.4. Características intensidad-voltaje de un BJT Hasta ahora, nos hemos fijado fundamentalmente en los procesos internos que tienen lugar dentro del transistor y que definen las corrientes y voltajes que aparecen entre sus terminales. Sin embargo, no hemos llegado a cuantificar estas variables de una forma que sea útil después para su integración en circuitos eléctricos. En este subapartado, vamos a introducir un modelo eléctrico para el BJT. El objetivo último es obtener las ecuaciones que representan la característica de intensidad-voltaje (I-V) del dispositivo, es decir, las ecuaciones que ligan las corrientes que entran por sus terminales con las tensiones a las que se encuentra cada uno. Dado que vamos a manejar tensiones, resulta necesario definir el convenio para su descripción. . Cuando escribamos un voltaje, éste dispondrá de dos subíndices: • el primero indica el terminal del que medimos el voltaje y • el segundo indica el terminal que actúa como referencia para su medida. Así, vCE indica que estamos midiendo el potencial del terminal colector (C) con respecto al emisor (E). Fijaos en que, de acuerdo con el criterio que acabamos de definir, se tiene que vEC = –vCE . El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 19 Las características I-V relacionarán las corrientes y voltajes entre sí, pero antes debemos tener claro de qué variables eléctricas disponemos: • Las intensidades de base, de colector y de emisor IB , IC y IE mostradas en la figura 12. • Los voltajes entre los terminales vCE , vEB y vBC . Voltajes entre terminales vCE indica el potencial del colector con respecto al emisor, vEB indica el potencial del emisor con respecto a la base y vBC representa el potencial de la base con respecto al colector. Figura 12. Corrientes en un transistor NPN vCE IE IC N E P C N Figura 12 IB vEB Representación del criterio habitual de corrientes en un transistor BJT de tipo NPN. vBC B Sin embargo, no todas las variables de corriente que acabamos de mencionar son independientes entre sí, ya que se debe satisfacer la ley de Kirchhoff de las corrientes aplicada al BJT. Esta ley implica que la suma de intensidades que entran debe ser igual a la suma de intensidades que salen del dispositivo y, por lo tanto, según la figura 12 se tiene que: IC + IB = IE (1) De la misma forma, todos los potenciales son dependientes entre sí debido a Ley de Kirchhoff de las corrientes La ley de Kirchhoff de las corrientes dice que la suma de las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de él. Es decir, para cualquier nodo: X X Ientrada = Isalida Ved también que la segunda ley de Kirchhoff o ley de las tensiones implica que la suma de La ley de Kirchhoff de las corrientes se estudia con más detalle en el anexo de la asignatura. caídas de potencial en un camino cerrado debe ser cero. Por lo tanto, vCE + vEB + vBC = 0 (2) De las ecuaciones 1 y 2, podéis deducir que, conocidas dos intensidades, podéis despejar la tercera y lo mismo para los voltajes. Así pues, tenemos diferentes opciones para elegir cómo vamos a construir las características I-V buscadas en función de qué intensidad y qué voltaje elijamos para despejar de las ecuaciones 1 y 2, respectivamente. Normalmente, se despeja de la ecuación 1 aquella intensidad correspondiente al terminal común. Si por ejemplo el terminal común es la base, entonces: Ley de Kirchhoff de las tensiones La ley de Kirchhoff de las tensiones dice que, si seguimos un camino cerrado en un circuito, la suma de todas las tensiones vale 0 V. CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 20 En un inicio, determinamos el valor de las corrientes de los otros terminales IE e IC . • Luego, despejamos el valor de IB a partir de la ecuación 1. De forma análoga, se elige el terminal común como punto desde el cual medir voltajes. Así, si trabajamos en base común, los voltajes que debemos medir serán el del colector con respecto a la base, vCB , y el del emisor con respecto a la base, vEB . Entonces se despeja de la ecuación 2 el que falta. Actividad Si trabajásemos en emisor común, ¿cuál sería el terminal de referencia para los voltajes? Por lo tanto, ¿qué voltajes tendríamos que conocer y cuál calcularíamos después? ¿Cuáles serían las intensidades conocidas y cuál la calculada? Dado que disponemos de diferentes alternativas para la elección de las variables eléctricas, también existirán diferentes ecuaciones características intensidad-voltaje del dispositivo en función de qué variables elijamos para despejar de las ecuaciones 1 y 2 o, dicho de otra forma, del terminal que escojamos como común. Para encontrar las diferentes alternativas a las características I-V del dispositivo, seguiremos los siguientes pasos: 1) En primer lugar, elegiremos una alternativa concreta y obtendremos las ecuaciones características correspondientes. 2) A partir de éstas, seremos capaces de obtener las ecuaciones correspondientes al resto de posibilidades a partir de las ecuaciones 1 y 2. Comenzaremos con el primer punto obteniendo las características I-V para el transistor en base común. Después, mostraremos a modo de ejemplo cómo encontrar las características con respecto a otro terminal común, que será el de emisor. 1.4.1. Características I-V en base común Supongamos que trabajamos con el BJT en la configuración de base común. En este subapartado, vamos a hallar la característica I-V del dispositivo, que consiste en conocer la ecuación que relaciona las intensidades que es necesario conocer, IE e IC , en términos de los potenciales que se miden, vCB y vEB . Es decir, buscamos una relación de la forma: (IE ,IC ) = f (vEB ,vCB ) (3) Notación de funciones La notación y = f (x) indica que la variable y es una función de la variable x y se dice que y es función de x. En ocasiones, se utiliza la propia variable y para denotar a la función y CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 21 se escribe y = y(x). Del mismo modo, (IE ,IC ) = f (vEB ,vCB ) indica que las variables IE e IC serán, cada una, dependientes de ambas tensiones, (vEB ,vCB ). La ecuación 3 se puede representar de una manera más práctica por medio de las dos ecuaciones siguientes: IE = IE (vEB ,vCB ) (4) IC = IC (vEB ,vCB ) (5) Las ecuaciones 4 y 5 se interpretan de la siguiente forma. Si fijamos un valor para vEB y otro para vCB , entonces la ecuación 4 devuelve el valor que corresponde a IE y la ecuación 5, el que corresponde a IC . Una forma de entender mejor el significado de estas ecuaciones es realizar su representación gráfica, que está mostrada en la figura 13. Figura 13. Representación de las superficies de las características I-V IC Valor de IC Figura 13 IE Punto Valor de IE Punto vEB vCB Representación gráfica de las intensidades de colector y de emisor como dos superficies que permiten calcular el valor de las corrientes a partir del de las tensiones. vEB vCB Como veis, disponemos de dos ecuaciones y cada una depende de dos variables, vEB y vCB . Esto significa que su representación gráfica consiste en dos superficies, una por cada ecuación. En la figura 13, podéis ver representadas estas superficies. En dos ejes, vemos los voltajes y en cada uno de los ejes verticales vemos las intensidades. De esta forma, a cada par ordenado (vEB ,vCB ) le corresponde un único valor de IC y IE . Lo que intentaremos lograr en este subapartado es encontrar las ecuaciones que definen estas superficies, es decir, dar una expresión concreta para las ecuaciones 4 y 5. Para obtener la forma concreta de las ecuaciones 4 y 5, partiremos del hecho expuesto en el subapartado 1.1 por el que el transistor BJT no es más que dos uniones PN opuestas más un fenómeno de interacción entre ellas que se llamó transferencia de electrones en el subapartado 1.2.2. Esta transferen- Definición de superficie Las ecuaciones 4 y 5 definen dos superficies, ya que, para cada par de valores de tensión, existe un punto del espacio correspondiente al valor de intensidad. La unión de estos puntos define una superficie en el espacio. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 22 cia de electrones da cuenta del acoplamiento entre las uniones debido a los electrones que salen del emisor, pasan por la base y llegan hasta el colector. Bajo esta concepción, Ebers y Moll presentaron en 1954 un modelo del comportamiento eléctrico del BJT que resultó ser especialmente bueno para la descripción del funcionamiento del dispositivo. De esta forma, obtuvieron un esquema eléctrico que representaba al transistor en los circuitos donde aparecía y permitía realizar su análisis circuital. En este punto, debéis tener en cuenta que la visión que ofrecemos del comportamiento interno del BJT es realmente simplificada y que, como en todo dispositivo de estado sólido, los fenómenos en su interior son múltiples. Sin embargo, esta concepción del transistor representa un buen modelo para su caracterización eléctrica. Ahora, vamos a introducir el modelo eléctrico de Ebers-Moll y dispondremos así de las ecuaciones que ligan las variables eléctricas entre sí. Modelo eléctrico de Ebers-Moll El modelo eléctrico de Ebers-Moll consiste en un circuito equivalente del transistor formado por elementos más sencillos y que representa desde el punto de vista de los terminales su comportamiento eléctrico. Este modelo está representado por el circuito de la figura 14 y consta de dos partes, una por cada unión PN entre emisor-base (parte 1) y base-colector (parte 2). Figura 14. Circuito correspondiente al modelo de Ebers-Moll Figura 14 aFIDE aRIDC IE IC E C D1 D2 IB IDE Parte 1 B IDC Parte 2 Circuito eléctrico que representa el modelo de Ebers-Moll del comportamiento del BJT. Vemos que hay dos diodos: el diodo de emisor por el que circula una corriente IDE y el diodo de colector con una corriente IDC . Los subíndices hacen referencia a que se trata de una corriente que pasa por el diodo respectivo, diodo emisor y diodo colector. Podemos identificar los siguientes elementos: • Dos diodos opuestos, D1 y D2 , que hacen referencia a las dos uniones PN Ved también de las que consta el dispositivo. • Una fuente de corriente de valor αF IDC que representa el efecto de acoplamiento entre uniones expuesto en el subapartado 1.1. Los diodos y la unión PN se estudian en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”. CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 23 Una fuente de corriente de valor αR IDE que representa los efectos de acoplamiento entre uniones cuando la polarización de las fuentes de continua αF se lee alfa sub efe. αR se lee alfa sub erre. (también llamadas baterías) de la figura 7 se invierte. En este caso, el flujo de electrones cambia de sentido y, por este motivo, el parámetro αR se llama coeficiente de transferencia inverso. . El parámetro αR recibe el nombre de coeficiente de transferencia inverso. La geometría del dispositivo está optimizada para una transferencia directa grande, como mencionamos en el subapartado 1.1 y, por lo tanto, el valor de αR suele ser pequeño, del orden de 0,05. A partir de la figura 14, podremos deducir el modelo eléctrico del BJT a partir de la ley de Kirchhoff de corrientes aplicada al emisor (parte 1) y al colector (parte 2). Así, para el colector tenemos: IC = αF IDE – IDC (6) A continuación, sustituimos en 6 las expresiones para IDE e IDC para la característica I-V del diodo: Ved también Las expresiones para IDE e IDC se estudian en el módulo 1. I = I0 (ev/VT – 1) (7) donde I es la intensidad que circula por el diodo y v representa la diferencia de potencial entre sus extremos. Asimismo, VT es el llamado voltaje térmico e I0 es la corriente inversa de saturación. El resultado es el siguiente: IC = αF IES (e–vEB /VT – 1) – ICS (e–vCB /VT – 1) (8) Voltaje térmico El voltaje térmico está dado donde T es la por VT = kT q temperatura en kelvin, k es la constante de Boltzmann de valor 1,38 · 10–23 julios/kelvin y q es la carga del electrón en valor absoluto. donde: • • Corriente inversa de saturación αF es la transferencia directa a través de la base. IES e ICS son las corrientes de saturación inversa de las respectivas uniones PN. Como ambas uniones forman parte del mismo bloque de material semiconductor, existe una relación entre ellas y los coeficientes de transfe- La corriente inversa de saturación es la corriente constante y pequeña que circula a través del diodo cuando éste se encuentra polarizado en inversa. rencia de tal forma que Ved también αF IES = αR ICS = IS Esta relación se dice que es una relación de reciprocidad. (9) La corriente inversa de saturación se estudia en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones” de esta asignatura. CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 24 vEB y vCB son los potenciales del emisor y del colector medidos desde la base. Es decir, la caída de potencial entre emisor-base y colector-base respectivamente. • VT es el voltaje térmico de la unión PN y que a 25◦ C toma un valor apro- Ved también ximado de 26 mV. De esta forma, hemos obtenido la ecuación 5 y una primera aproximación al modelo eléctrico del BJT. Para obtener la ecuación 4, que corresponde al valor de IE , podemos partir, de nuevo, de la ley de Kirchhoff de corrientes aplicada al emisor (parte 1) y sustituir las expresiones de la característica de los diodos dadas por la ecuación 7 de la misma forma que acabamos de hacer. El resultado final es el siguiente: IE = IES (e–vEB /VT – 1) – αR ICS (e–vCB /VT – 1) (10) donde αR representa el coeficiente de transferencia inversa a través de la base y el resto de parámetros tiene el mismo significado que en la ecuación 8. Esta ecuación completa junto a 8 las ecuaciones que definen la característica I-V del BJT en base común. . La característica I-V del BJT en base común está definida por las ecuaciones: IC = αF IES (e–vEB /VT – 1) – ICS (e–vCB /VT – 1) (11) IE = IES (e–vEB /VT – 1) – αR ICS (e–vCB /VT – 1) (12) donde: • vEB y vCB son las tensiones respectivas del emisor y colector medidas desde la base. • IES e ICS son los valores de la corriente inversa de saturación de un diodo. • VT es el voltaje térmico de la unión PN que ya visteis en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones” y que a 25◦ C toma un valor aproximado de 26 mV. • αF y αR representan la transferencia directa e inversa de electrones respectivamente. Actividad Obtened la ecuación 10 a partir de la característica del diodo y de la ley de Kirchhoff de corrientes como hemos hecho para la ecuación 8. La unión PN se estudia en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 25 A pesar de obtenerse a partir de un modelo simplificado, las ecuaciones de Ebers-Moll 8 y 10 capturan tan bien el comportamiento del transistor que pueden utilizarse también cuando las polarizaciones de las fuentes externas son arbitrarias. Es decir, cuando los polos positivo y negativo de ambas fuentes están situados de un modo totalmente diferente con respecto al indicado en la figura 7. Una vez que ya tenemos las ecuaciones que describen el comportamiento del transistor con un terminal común, podemos obtener las ecuaciones correspondientes al resto de terminales comunes de un modo sencillo. A modo de ejemplo, veamos cómo quedan las ecuaciones en modo emisor común. 1.4.2. Ecuaciones en emisor común Las ecuaciones del BJT en modo emisor común se pueden obtener a partir de las ecuaciones 8 y 10 mediante el uso de las ecuaciones 1 y 2. . Las ecuaciones que describen el comportamiento del transistor BJT en emisor común son: IB = (1 – αF )IES (evBE /VT – 1) + (1 – αR )ICS (e(vBE –vCE )/VT – 1) (13) IC = αF IES (evBE /VT – 1) – ICS (e(vBE –vCE )/VT – 1) (14) donde: • vBE y vCE son las tensiones respectivas de la base y colector medidas desde el emisor. • IES e ICS son los valores de la corriente inversa de saturación de un diodo. • VT es el voltaje térmico de la unión PN que ya visteis en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones” y que a 25◦ C toma un valor aproximado de 26 mV. • αF y αR representan la transferencia directa e inversa de electrones respectivamente. Actividad Como ejercicio, podéis deducir vosotros mismos las ecuaciones 13 y 14. Las ecuaciones 13 y 14 se pueden obtener despejando IB de la ecuación 1 y sustituyendo las tensiones por las nuevas variables de tensión mediante la ecuación 2. A pesar de que disponemos de las ecuaciones matemáticas que describen el comportamiento del BJT, suele ser habitualmente mucho más intuitivo realizar su representación gráfica. De esta forma, se puede apreciar en un vistazo CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 26 el comportamiento del BJT. En el siguiente subapartado, vamos a abordar la representación gráfica de las características del BJT. 1.4.3. Representación gráfica de las características I-V Como hemos mencionado en el subapartado 1.4.1 al hablar de las ecuaciones 4 y 5, éstas representan superficies. En lugar de dibujar estas superficies en un espacio tridimensional, se recurre a una representación bidimensional que permite manejar las características de un modo más sencillo y da lugar a resultados intuitivos más claros. A modo de ejemplo, consideremos ahora las ecuaciones del BJT en modo de emisor común presentadas en el subapartado 1.4.2. Para obtener la representación bidimensional de las características, se dibuja IC e IB frente a vCE para diferentes valores constantes de vBE . De esta forma, se tienen dos familias de gráficas bidimensionales que indican el comportamiento de estas ecuaciones de un modo más intuitivo que una superficie. En la figura 15, podéis ver cómo quedaría esta representación gráfica. Vemos que en el eje horizontal están dispuestos los valores de vCE , mientras que en el eje vertical están los de las corrientes IC e IB . Figura 15. Características I-V bidimensionales del BJT. IC Figura 15 Representación de las características del transistor en dos gráficos bidimensionales en lugar de mediante dos superficies. IB vBE1 vBE2 vBE3 vBE2 vBE1 vBE3 vBE1 < vBE2 < vBE3 vBE1 < vBE2 < vBE3 vCE vCE En el cuerpo de cada gráfica, vemos un conjunto de líneas. Cada una de estas líneas está asociada a un valor constante diferente de vBE . Para obtener cada una de las curvas, lo que se hace es considerar el valor constante de vBE elegido y sustituirlo en las ecuaciones 13 y 14. Entonces, vBE deja de ser una variable y las ecuaciones 13 y 14 pasan a ser ecuaciones con una única variable independiente, vCE . Cada una de estas ecuaciones se puede dibujar en un plano bidimensional. Cuando se repite este procedimiento para diferentes valores de vBE , se obtienen las diferentes curvas como las que podéis ver en la figura 15. En esta figura, los valores de vBE son tales que vBE1 < vBE2 < vBE3 . Estas gráficas son ahora más fácilmente manejables que las superficies. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 27 Aun así, en lugar de recurrirse a dos gráficas, muchas veces se representa el comportamiento del BJT en sólo una. Es decir, lo que se hace es representar IC frente a vCE para diferentes valores de IB . Así, en una sola gráfica podemos ver simultáneamente cuánto vale IB , vCE y la corriente IC . Para ello, se elige un conjunto de valores de IB . Para cada uno de ellos, se lleva a cabo el siguiente procedimiento: 1) Elección de vCE . Se toma un conjunto de valores para vCE . 2) Obtención de vBE . Para cada valor de vCE , se despeja el de vBE de la ecuación 13. 3) Cálculo de IC . El valor de vBE se sustituye en la ecuación 14 para calcular IC . 4) Representación de IC . Finalmente, se representa el valor de IC frente a vCE para el correspondiente valor de IB . Hagamos este procedimiento con un poco más de detalle. 1) Elección de vCE . En primer lugar, seleccionamos un conjunto de valores de vCE a nuestra elección. 2) Obtención de vBE . A continuación, debemos despejar vBE de la ecuación 13 suponiendo que conocemos IB y vCE . Para ello, partimos de la ecuación 13: IB = (1 – αF )IES (evBE /VT – 1) + (1 – αR )ICS (e(vBE –vCE )/VT – 1) (15) Después, agrupamos en un único término la variable que queremos despejar, que es vBE . En primer lugar, quitamos paréntesis: IB = (1 – αF )IES evBE /VT – (1 – αF )IES + +(1 – αR )ICS e(vBE –vCE )/VT – (1 – αR )ICS (16) En segundo lugar, separamos la exponencial en producto de exponenciales: Propiedades de la exponencial IB = (1 – αF )IES evBE /VT – (1 – αF )IES + +(1 – αR )ICS evBE /VT e–vCE /VT – (1 – αR )ICS (17) Para finalizar, agrupamos los términos que contienen la exponencial buscada: “ ” IB = (1 – αF )IES + (1 – αR )ICS e–vCE /VT evBE /VT – –(1 – αF )IES – (1 – αR )ICS (18) Recordad que la función exponencial satisface ex+y = ex ey , para cualesquiera números reales x e y. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 28 Ahora que ya tenemos la variable vBE en una única posición, procedemos a despejarla de la ecuación 18. Comenzamos por despejar la exponencial: evBE /VT = IB + (1 – αF )IES + (1 – αR )ICS (1 – αF )IES + (1 – αR )ICS e–vCE /VT (19) y finalmente, si tomamos logaritmos, tenemos: vBE = VT ln IB + (1 – αF )IES + (1 – αR )ICS (1 – αF )IES + (1 – αR )ICS e–vCE /VT (20) De donde hemos despejado el valor de vBE . 3) Cálculo de IC . Para cada valor prefijado de IB , se calcula el valor de vBE por medio de la ecuación 20. Una vez se conocen vBE y vCE , se sustituyen en 14 y se calcula IC . 4) Representación de IC . Finalmente, se representa el valor en una gráfica de IC frente a vCE . Un ejemplo de esta gráfica está en la figura 16. Ejemplo numérico Figura 16. Característica I-V de un BJT IB1 < IB2 < IB3 < IB4 < IB5 IC IB5 IB4 A modo de ejemplo, podéis seguir vosotros mismos este proceso de forma numérica en una hoja de cálculo con objeto de que podáis representar vosotros mismos estas curvas. IB3 IB2 IB1 IB1 Figura 16 vCE IB5 Representación de la característica del BJT en una sola gráfica. De hecho, ésta es la forma habitual de presentar las características de un BJT. En la figura 16, podéis ver cómo aparece la relación entre IC y vCE para diferentes valores de la corriente de base IB con IB1 < IB2 < IB3 ... De esta forma, ambas corrientes se pueden leer de la misma gráfica y disponemos de una representación de las características del BJT mucho más sencilla de manejar. En muchas ocasiones, se aproxima el comportamiento real del transistor, asociado a las ecuaciones no lineales del diodo, para obtener un modelo más sencillo que sea lineal a tramos. En este caso, la gráfica de la figura 16 se convierte en la de la figura 17. Lineal a tramos Un modelo se dice que es lineal a tramos cuando está compuesto por diferentes tramos rectos unidos entre sí. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 29 Figura 17. Característica aproximada I-V de un BJT Zona lineal IC Figura 17 Activa directa Corte IB = 0 vCE,sat Activa inversa vCE Saturación En la figura 17, se puede apreciar cómo el tramo de subida del primer cuadrante se ha sustituido por una línea recta que recoge el hecho de que la corriente es pequeña para valores pequeños de la tensión vCE . Además, se ha unificado la tensión a partir de la cual la característica de transistor es plana. Es decir, se ha dibujado una línea vertical de donde salen todas las demás líneas horizontales que aparecen en el primer cuadrante. Al valor de la tensión vCE a partir del cual ocurre esto se le llama tensión de saturación, vCE,sat , y para transistores de silicio tiene un valor aproximado de vCE,sat ≈ 0,2 V. En la figura 17, también podéis apreciar la gran variedad de comportamientos que puede exhibir el BJT: desde un comportamiento lineal para valores pequeños de vCE hasta una saturación para valores vCE > vCE,sat . Esto se debe a la no linealidad de las ecuaciones que describen su característica I-V. En concreto, podemos distinguir los siguientes comportamientos para el BJT: • Por un lado, el eje de las abscisas (el eje horizontal) representa la característica del transistor cuando IB = 0 e indica que IC = 0 independientemente del valor de la tensión vCE ; entonces no hay corriente a través el dispositivo y se dice que el transistor está en corte. • Las rectas horizontales del primer cuadrante representan un valor de IC , relacionado con un valor de IB , que no cambia con vCE ; decimos que el transistor está en activa directa. Fijaos en que éste es precisamente el principal interés del transistor, que el valor de IC está controlado por el valor de IB . • Las rectas horizontales del tercer cuadrante representan un comportamiento que básicamente es el mismo que en activa directa, pero con las corrientes cambiadas de signo. Por eso, se dice entonces que el transistor está en activa inversa. • La recta vertical corresponde al valor de vCE,sat ≈ 0,2 V. Sobre esta recta, para ese valor constante de tensión, se consiguen diferentes valores de IC en función de la corriente IB . Se dice entonces que el transistor está en saturación. Como veis, las figuras 16 y 17 capturan el abanico de modos de operación del transistor y proporcionan el marco intuitivo para entender el comportamiento Modelo simplificado de la característica del BJT en el que se han sustituido las curvas por tramos rectos unidos entre sí y que dan lugar a un modelo lineal a tramos. En él, se pueden ver las cuatro regiones de operación del BJT: activa directa, activa inversa, saturación y corte. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 30 del BJT. Cada uno de estos comportamientos recibe comúnmente el nombre de región de operación, ya que cada comportamiento sólo se produce en un cierto rango de valores de sus variables eléctricas. . Se denomina región de operación a cada uno de los modos de comportamiento que puede tener el BJT. En conclusión, el transistor se puede comportar de maneras muy diferentes y, para poder entender bien sus aplicaciones en circuitos electrónicos, es necesario que nos detengamos con un poco más de detalle en sus diferentes formas de operación. Esto es lo que vamos a hacer a continuación con el análisis de sus regiones de operación. 1.5. Análisis de las regiones de operación del BJT Como hemos visto en el subapartado 1.4.3, el BJT exhibe comportamientos muy diferentes que definen diferentes regiones de operación. En este subapartado, vamos a analizar con un poco más de detalle cómo es su comportamiento en cada una de ellas. De hecho, cada región de operación está caracterizada por la forma en la que están conectadas las fuentes de continua exteriores que definían los circuitos de polarización introducidos en el subapartado 1.2.1. Dado que tenemos dos fuentes de tensión externas, tenemos cuatro posibles tipos de polarizaciones en función de la orientación de cada una de ellas. De esta forma, se distinguen las cuatro regiones diferentes de funcionamiento del BJT. Polarizar Polarizar un circuito significa añadir fuentes de tensión en determinados puntos de un circuito para que elementos circuitales cercanos a ellos dispongan en sus terminales de un determinado nivel de tensión. Podéis apreciar en la figura 18 que la polarización de las fuentes exteriores determina el signo de las diferencias de potencial vEB y vCB . A partir de ellas, podríais construir la tabla 1, que recoge las cuatro diferentes posibilidades en función del signo de cada una de ellas. Figura 18. Fuentes de tensión externas ZCE ZCE ––++ IE N E Figura 18 P ––++ IC C N ––++ – + VEE IB B VCC + – BJT con unas fuentes de tensión externas conectadas. La forma en la que están conectadas estas fuentes es la que determina el signo de las tensiones vEB y vCB . CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 31 Tabla 1. Regiones del funcionamiento del BJT I vBE ≥ Vγ vBC ≤ Vγ Nombre del modo de funcionamiento activo directo II vBE ≤ Vγ vBC ≥ Vγ activo inverso III vBE ≤ Vγ vBC ≤ Vγ corte IV vBE ≥ Vγ vBC ≥ Vγ saturado Caso Tensión base-emisor Tensión base-colector Como podéis observar en la tabla 1, el parámetro que distingue entre los diferentes tipos de polarización no es cero sino la tensión Vγ , que representa la tensión umbral de la curva característica del diodo. La tensión umbral diferencia la situación de conducción y de corte de cada una de las dos uniones PN que conforman el transistor. Esta tensión depende del tipo de material semiconductor con el que se ha fabricado el diodo y que para el silicio suele estar en torno a Vγ ≃ 0,7 V. Tensión umbral La tensión umbral de un diodo es el valor de potencial a partir del cual empieza a circular una corriente apreciable por el diodo. Es la tensión que aparece en los modelos lineales estudiados en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”. En este subapartado 1.5, vamos a estudiar con detalle qué comportamiento tiene el transistor en cada uno de estos modos de funcionamiento. Sin embargo, es interesante resaltar aquí el hecho de que el comportamiento del El símbolo a ≃ b indica que a tiene un valor muy parecido a b. transistor es cualitativamente muy diferente en cada una de las regiones. Por lo tanto, en los circuitos basados en transistores deberemos tener muy presente en qué región está actuando el dispositivo para comprender intuitivamente el funcionamiento del circuito completo. De ahí que en este subapartado nos vayamos a detener con detalle en ellas. Las regiones de interés de la tabla 1 de cara al diseño de circuitos son básicamente las que se corresponden a activa directa, corte y saturación. El funcionamiento del transistor en la región de activa inversa es similar (aunque con alguna diferencia debido a que el emisor está más fuertemente dopado que el colector) al de activa directa pero haciendo que el emisor y colector intercambien sus papeles. Así que nos vamos a restringir a estas tres regiones. Para cada una de las regiones podremos simplificar las ecuaciones no lineales del transistor y obtener una versión reducida de las mismas aplicable en su región que nos permitan entender intuitivamente qué hace el BJT en cada una de ellas. Comenzaremos el estudio por la región activa directa y proseguiremos por las regiones de corte y saturación. 1.5.1. Región activa directa El BJT se encuentra en la región activa directa cuando vBE ≥ Vγ y vBC ≤ Vγ . Para Relación de reciprocidad simplificar las ecuaciones 8 y 10, podéis empezar escribiéndolas únicamente en términos de IS y αF a través de la relación de reciprocidad introducida en la ecuación 8. Así, el número de constantes independientes en las ecuaciones 8 y 10 disminuye y son más fáciles de manejar. Así, las ecuaciones 8 y 10 se convierten en: Recordad que la relación de reciprocidad viene dada por la ecuación αF IES = αR ICS = IS donde ICS e IES son las corrientes inversas de saturación de los diodos que componen el modelo de Eberss-Moll. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 32 IS –vCB /VT (e – 1) αR (21) IS –vEB /VT (e – 1) – IS (e–vCB /VT – 1) αF (22) IC = IS (e–vEB /VT – 1) – IE = En la región activa directa e–vEB /VT es habitualmente mucho mayor que la unidad y por lo tanto podemos simplificar (e–vEB /VT – 1) a únicamente e–vEB /VT , mientras que e–vCB /VT es mucho más pequeño que la unidad y, por lo tanto, (e–vCB /VT – 1) es aproximadamente –1. Es decir, haremos que: (e–vEB /VT – 1) ≈ e–vEB /VT (23) (e–vCB /VT – 1) ≈ –1 (24) Con estas aproximaciones, podemos reescribir las ecuaciones 21 y 22 en la siguiente forma más simplificada: IS αR (25) IS –vEB /VT e + IS αF (26) IC ≈ IS e–vEB /VT + IE ≈ De hecho, los sumandos de la derecha de ambas ecuaciones son mucho más pequeños que los primeros debido a que las corrientes de saturación inversa de los diodos suelen ser muy pequeñas: IS << IS e–vEB /VT αR (27) IS –vEB /VT e αF (28) IS << Por lo tanto, estas corrientes se pueden despreciar para obtener el modelo simplificado del BJT en la región activa directa: IC ≈ IS e–vEB /VT (29) IS –vEB /VT e αF (30) IC = αF IE (31) IE ≈ que implica que Ahora que ya tenemos las corrientes de colector y emisor, podemos hallar el valor de la corriente que falta, IB , aplicando la ecuación 31 y la ley de Kirchhoff de corrientes, IE = IB + IC según la figura 2: Exponenciales Recordemos el comportamiento de las exponenciales. Cuando x → ∞ se tiene que: ex → ∞ e–x → 0. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 33 IB = IE – IC = IE – αF IE = (1 – αF )IE (32) Si utilizamos ahora la ecuación 30 para IE , llegaremos finalmente a: IB = (1 – αF )IS –vEB /VT e αF (33) que junto con las ecuaciones 29 y 30 completa el modelo eléctrico del BJT en la región activa directa. . El modelo simplificado del BJT válido para la región activa directa está definido por: IC = IS e–vEB /VT (34) IS –vEB /VT e αF (35) (1 – αF ) –vEB /VT IS e αF (36) IE = IB = donde: • IS = αF IES = αR ICS • IES e ICS son corrientes de saturación inversa de los diodos del modelo de Ebers-Moll. • αF y αR son los coeficientes de transferencia inversa y directa. • VT = kT q es el potencial térmico donde k es la constante de Boltz- mann, T es la temperatura y q es la carga del electrón en valor absoluto. En este punto, es importante que os deis cuenta de que las ecuaciones 34- Ecuaciones lineales 36 son ecuaciones no lineales y que, por lo tanto, el comportamiento del BJT en esta región no es lineal. Para muchas aplicaciones, sin embargo, es suficiente con utilizar una aproximación lineal de las ecuaciones 34-36. Una de estas aplicaciones es la amplificación de pequeña señal, que será tratada en el apartado 2, donde estudiaremos el modelo lineal aproximado en esta región. De esta forma, ya hemos obtenido las ecuaciones que describen el BJT en la región de activa directa. En esta región, el BJT presenta dos aspectos muy importantes que vamos a estudiar a continuación y que serán muy útiles a la hora de resolver circuitos eléctricos en los que el BJT esté en su región de activa directa: Una ecuación es lineal cuando la relación entre sus variables es de la forma y = ax, donde a es una constante. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 34 • Un valor prácticamente constante de vBE . • Una relación sencilla entre todas las corrientes del dispositivo. Comenzaremos estudiando el valor de vBE y, después, la relación entre las corrientes. Valor constante de vBE en activa directa En este subapartado, vamos a calcular cuánto vale vBE cuando el BJT está funcionando en la región de activa directa. Para obtener su valor, partiremos de la ecuación 20 repetida aquí por comodidad: vBE = VT ln IB + (1 – αF )IES + (1 – αR )ICS (1 – αF )IES + (1 – αR )ICS e–vCE /VT (37) La ecuación 37 permite calcular el valor de vBE a partir de los valores de vCE e IB . Esta ecuación define a una función de dos variables y su representación gráfica es, por lo tanto, una superficie. No obstante, lo que haremos será calcular vBE en función de vCE para diferentes valores constantes de IB y realizar su representación gráfica. De esta forma, podremos representar la ecuación 37 en un gráfico bidimensional. El rango de valores de vCE que usaremos es vCE > 0,2 V puesto que, como vimos al analizar la figura 17, ese rango es el que caracteriza la región activa directa. Al realizar la representación gráfica de 37 para diferentes valores de la corriente de base, se obtiene la figura 19. Cada una de las líneas que veis dibujadas se corresponde con un valor diferente de IB . Figura 19. Valor de vBE en activa directa Figura 19 0,75 IB 5 vBE .. . 0,7 IB 2 0,65 IB1 0,6 0,55 0,5 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 vCE Representación del valor de vBE en función de vCE para diferentes valores constantes de IB . Por lo tanto, cada una de las líneas que veis representa un valor diferente de la corriente de base. Todas ellas están en torno al valor de 0,7 V. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 35 En la figura 19, podéis ver que el voltaje vBE : 1) Es constante en todo el rango de valores de vCE . 2) Tiene un valor diferente según cuál sea el valor de la corriente de base IB pero que no es una diferencia importante, ya que todas están en torno a los 0,7 V. El valor en torno al cual están las gráficas depende del dispositivo, ya que está relacionado con las corrientes inversas de saturación y con los coeficientes de transferencia directa e inversa (αF y αR ). En este caso, ha salido de 0,7 V debido a que se estaban utilizando los datos para el silicio en la ecuación 37. Para otros materiales, este valor será diferente. Por ejemplo, para el germanio, que es otro material semiconductor típico, es de 0,2 V. Dado que la variación de vBE con IB es pequeña, podemos suponer en una primera aproximación que vBE tiene el mismo valor de 0,7 V independientemente de IB . Estas características de vBE en la región de activa directa son muy importantes ya que, en lugar de tener que calcular vBE al llevar a cabo el análisis del circuito, podemos suponerla conocida de antemano y utilizarla como tal para resolver el circuito. . El valor de vBE en un BJT operando en la región de activa directa es constante con vCE . Además, supondremos que vBE no depende de IB y que para el silicio toma el valor de vBE = 0,7 V y para el germanio de vBE = 0,2 V. Una vez que hemos analizado el comportamiento de vBE , pasemos a estudiar la relación entre las corrientes del BJT en la región de activa directa. Relación entre las corrientes del BJT en la región de activa directa En este subapartado, vamos a encontrar la relación entre las corrientes del BJT cuando éste opera en la región de activa directa. Para ello, fijaos en las ecuaciones 29, 30 y 33 repetidas aquí: IC = IS e–vEB /VT (38) IS –vEB /VT e αF (39) (1 – αF )IS –vEB /VT e αF (40) IE = IB = CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 36 Todas parecen tener la misma estructura basada en la exponencial. De hecho, sugieren que se podrían poner unas en términos de otras de un modo relativamente sencillo. Si partimos, por ejemplo, de las ecuaciones 38 y 39 podemos deducir que IC = IS e–vEB /VT = = αF αF –vEB /VT Ie = αF S IS –vEB /VT e = αF IE αF (41) donde hemos multiplicado y dividido por αF . Es decir, IC = αF IE (42) que muestra que la corriente de colector es proporcional (de hecho, es αF veces) a la corriente que circula por el emisor. Este resultado coincide con la interpretación intuitiva que hicimos en el subapartado 1.1 de que αF representaba el coeficiente de transferencia de electrones entre emisor y colector que daba cuenta de los electrones que, saliendo del emisor, llegaban al colector sin recombinarse en la base. De la misma forma, también podríais obtener IC en términos de IB : IC = El cociente αF 1–αF αF I 1 – αF B (43) que relaciona ambas corrientes en la ecuación 43 recibe un nombre especial, ya que va a desempeñar un papel importante en el uso de los BJT en aplicaciones de amplificación; se le denomina ganancia de corriente y se representa con la letra griega beta, β, que por lo tanto toma la siguiente definición. Parámetro β . El parámetro β recibe el nombre de ganancia de corriente y está definido por: β= αF 1 – αF (44) de tal forma que: IC = βIB (45) El parámetro β es un parámetro del dispositivo y suele ser proporcionado por el fabricante en sus hojas de características (datasheets). CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 37 Además, a partir de la ley de las corrientes de Kirchhoff se puede obtener la ecuación IE = (1 + β)IB (46) que muestra cómo se pueden poner unas corrientes en términos de otras por medio de ecuaciones sencillas ligadas mediante αF y β. Fijaos en que en el denominador de la ecuación 44 aparece la diferencia (1 – αF ). Detengámonos un poco más en ella. Si recordáis, en el subapartado 1.1 se mencionó que el valor de αF era muy cercano a la unidad. Esto implica que (1 – αF ) tendrá un valor pequeño y positivo y que, por lo tanto, β en la ecuación 44 será un número grande. Típicamente, los valores de β se encuentran entre 100 y 300. Si tenemos en cuenta este hecho, podemos volver de nuevo a la ecuación 45 y observar que, cuando el transistor está trabajando en la región de activa directa, la corriente de colector, IC , se convierte en β veces más grande que la corriente de base. Es decir, el transistor proporciona una corriente de colector con la misma dependencia temporal que la corriente de base, pero con una amplitud mucho mayor; el transistor está amplificando la corriente. Ésta, la amplificación de corriente, será la característica que más nos interese del BJT, ya que le va a permitir formar parte de circuitos de amplificación. Para finalizar, es importante recalcar que, como β toma valores mucho mayores que uno, β >> 1, entonces en muchas ocasiones es válida la aproximación: 1+β≈ β (47) Usaremos esta aproximación varias veces a lo largo del módulo como en el siguiente resumen de las relaciones entre las corrientes del BJT. . En la región activa directa, las corrientes en los terminales de un BJT están dadas por: IC = βIB (48) IE = (1 + β)IB ≈ βIB (49) IC = αF IE (50) donde αF 1–αF • β= es la ganancia de corriente. • αF es la transferencia directa de electrones. Amplificador de corriente El transistor amplifica la corriente, ya que se obtiene una corriente de colector que es varias veces la corriente de base. Éste es el significado de amplificador. Ved también Estudiaremos más detenidamente cómo diseñar circuitos de amplificación basados en el BJT en el apartado 2 de este módulo. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 38 En el siguiente ejemplo, mostraremos el uso de estas relaciones. Ejemplo 1 Disponemos de un BJT de silicio con un valor de β = 125 que opera en su región de activa directa con IB = 2 · 10–5 A. Calculad las corrientes IC e IE y la diferencia de potencial vBE . Solución La variable más sencilla de calcular es la diferencia de potencial vBE . El motivo es que nos dicen en el enunciado que el transistor opera en su región de activa directa, lo que significa, según el subapartado 1.5.1, que vBE tiene un valor aproximadamente constante en esa región que depende únicamente del tipo de dispositivo. Como se trata de un BJT de silicio, entonces vBE ≃ 0,7 V. Fijaos en cómo hemos utilizado esta propiedad estudiada en el subapartado 1.5.1 para poner directamente el valor de vBE sin necesidad de efectuar ningún cálculo. A continuación, calcularemos las intensidades IC e IE a partir de las ecuaciones 49 y 50 respectivamente. Por lo tanto, la corriente IC se calcula como: IC = βIB = 125 · 2 · 10–5 = 2,50 mA (51) IE = (1 + β)IB = (1 + 125) · 2 · 10–5 = 2,52 mA (52) y la corriente IE como: Ahora podríamos comprobar el error que comentemos en el cálculo de IE si en lugar de utilizar el valor de (1 + β) en la ecuación 52 utilizamos la aproximación 1 + β ≃ β. Con esta aproximación, tendríamos que IE,aprox = IC y entonces el error que hay entre ambos cálculos, exacto y aproximado es: |IE – IE,aprox | IE · 100 = |IE – IC | 0,02 · 100 = · 100 = 0,79 % IE 2,52 (53) Es decir, la aproximación comete un error menor que el 0,8 % del valor de la corriente de emisor que es un error pequeño. Por este motivo, usaremos con frecuencia la aproximación (1 + β) ≃ β en los cálculos realizados a lo largo del módulo. Veamos ahora cómo se comporta el BJT cuando está en la región de corte. 1.5.2. Región de corte La región de corte está caracterizada porque los dos diodos que describen el modelo de Ebers-Moll en la figura 14 se encuentran en inversa. Para ello, es necesario que: vBE ≤ Vγ ; vBC ≤ Vγ (54) Ved también Si ambos están en inversa, no circula corriente por ellos y por lo tanto se comportan como circuitos abiertos. Fijaos en que este comportamiento es el que se corresponde al del diodo en inversa. El diodo en inversa se estudia en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones” de esta asignatura. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 39 De la figura 14, que representa el circuito equivalente de Ebers-Moll, también podéis deducir que, si por los diodos no pasa corriente, las fuentes controladas de corriente tampoco generarán nada y de esta forma el transistor se comporta como un circuito abierto entre cada par de terminales. Este comportamiento se puede representar por medio de la figura 20 donde, como veis, no hay conexión eléctrica entre sus terminales a través del transistor. Es decir, disponemos de los tres terminales del transistor como muestra la figura 20, pero entre ellos no hay ningún tipo de conexión eléctrica. Figura 20. BJT en estado de corte C B E . Cuando tengáis un BJT en un circuito que está en modo de corte, podéis sustituirlo directamente por el circuito de la figura 20. 1.5.3. Región de saturación Finalmente, el último de los tres modos es el de saturación. En la región de saturación, la tensión vCE es constante y de un valor aproximado de 0,2 V para el silicio. De esta forma, podremos sustituir la parte del transistor correspondiente a la rama del emisor al colector por una fuente de voltaje constante de ese valor. Si el transistor fuera de otro material, el valor de la fuente de tensión sería el del correspondiente al voltaje de saturación respectivo. Por otro lado, en la región de saturación, la unión base-emisor está polarizada en directa. Al estar polarizada en directa, esa unión se puede considerar que tiene una diferencia de potencial que corresponde a la de su unión PN que, para el caso del silicio, es de en torno a 0,7 V. De esta forma, la rama de la base al emisor se puede modelar como una fuente de tensión constante de valor 0,7 V, lo que da lugar a la representación de la figura 21. Figura 20 Esquema eléctrico del BJT cuando está en la región de corte. Entonces, no hay conexión eléctrica entre sus tres terminales. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 40 Figura 21. BJT en estado de saturación B C + 0,7 V – + – 0,2 V E . El modelo eléctrico del BJT cuando su estado de funcionamiento es el de saturación es el descrito en la figura 21. 1.5.4. Conclusión sobre las regiones de operación Finalmente, es importante que tengáis presente un hecho importante sobre las regiones de operación y los modelos particulares que hemos derivado en los subapartados 1.5.1-1.5.3 para cada una de ellas. . Lo que hemos hecho en los subapartados 1.5.1, 1.5.2 y 1.5.3 es obtener expresiones más sencillas de las ecuaciones 8 y 10 a costa de que sólo sean válidas cuando el transistor se encuentre en su respectiva región de funcionamiento. Por lo tanto, para aplicarlas, deberemos conocer de antemano en qué región está funcionando. Como conclusión de todo lo expuesto en los subapartados 1.5.1, 1.5.2 y 1.5.3, podemos observar que, según como sea el voltaje aplicado a los terminales del BJT, su funcionamiento es cualitativamente muy diferente. Para finalizar este apartado sobre la estructura física y principio de funcionamiento del BJT, en el siguiente subapartado se considera el efecto de la temperatura sobre él. 1.6. Efectos térmicos en los transistores La temperatura es un parámetro que afecta notablemente al comportamiento del transistor y de forma genérica a todos los dispositivos basados en semiconductores. De hecho, puede influir tanto en el comportamiento del transistor que puede llegar a inestabilizar su funcionamiento. Figura 21 Esquema eléctrico que representa un BJT de silicio cuando está en la región de saturación. En este caso, el BJT se puede sustituir por dos fuentes de continua entre los terminales del dispositivo. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 41 En concreto, la temperatura afecta a los siguientes parámetros de un BJT: • Al valor de las corrientes de saturación inversa que son las corrientes ICS e IES mencionadas al deducir la curva característica del BJT en las ecuaciones 8 y 14. Este efecto se puede despreciar debido a que ese valor suele ser muy pequeño como para que dé lugar a un efecto apreciable en los circuitos. La temperatura actúa aumentando ligeramente ese valor. • Al valor del potencial térmico, que tiene como expresión VT = kT/q, donde k representa la constante de Boltzmann, T es la temperatura en kelvin y q Inestabilidad del transistor Podría ocurrir que, debido a la variación de β, el punto de operación esté tan alejado del inicialmente planteado que el valor de los potenciales y corrientes en el resto del circuito sean muy diferentes a las deseadas por diseño y que no se encuentre siquiera en la región de interés. Entonces, se dice que el comportamiento del transistor es inestable. es la carga del electrón en valor absoluto. Este efecto hace que el valor del potencial vBE se reduzca con el aumento de la temperatura. Por ejemplo, para el silicio (cuyo valor de vBE es habitualmente de 0,7 V) se reduce aproximadamente 2 mV por cada kelvin de aumento de la temperatura. Esto se debe a que el potencial térmico VT está situado en la exponencial y, por lo tanto, la variación de su valor influye en el potencial al que el diodo pasa de conducción a corte. A medida que la temperatura es mayor, los electrones poseen una energía cinética mayor y es más fácil que puedan atravesar por ellos mismos la barrera de potencial entre las uniones, por eso se reduce la tensión umbral. • Al valor de la transferencia directa de electrones αF , definido en el subapar- Fenómenos microscópicos tado 1.2, que da cuenta de los efectos microscópicos de movimiento y recombinación de electrones en la base. Esta dependencia de β con la temperatura es la que puede cambiar el comportamiento del transistor y, por lo tanto, del circuito del que forma parte. Esto se debe a que un aumento de la temperatura causa que los electrones tengan una vida media mayor en la base antes de la recombinación, de ahí que el parámetro αF aumenta con la temperatura y se hace más cercano a la unidad. Esta variación tiene como consecuencia que β, que es la ganancia de corriente del transistor, definida por la ecuación 44, aumente su valor y, por lo tanto, según la ecuación 43: IC = αF I = βIB 1 – αF B (55) aumenta la corriente de colector sin aumentar la de la base. Como consecuencia, las variables eléctricas que inicialmente estaban previstas para el circuito cambian su valor y este efecto puede hacer que deje de funcionar de forma correcta. Por lo tanto: . La variación de temperatura causa una variación en la ganancia en corriente, β, del transistor que puede comprometer el funcionamiento del circuito. Se denominan fenómenos microscópicos a los que acontecen a escala atómica dentro del semiconductor. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 42 Ejemplo 2 Disponemos de un BJT de silicio que opera en su región de activa directa con un valor de IB = 2 · 10–5 A. Calculad la corriente de colector para los valores de β1 = 120 y β2 = 200 y su variación relativa. Solución La corriente de colector, IC , se puede calcular a partir del valor de β y de IB por medio de la ecuación 49 del subapartado 1.5.1. Así, para los dos valores de β que nos proporcionan en el enunciado tendremos: IC1 = β1 IB = 120 · 2 · 10–5 = 2,4 mA (56) IC2 = β2 IB = 200 · 2 · 10–5 = 4 mA (57) Su variación relativa se puede calcular como: |IC2 – IC1 | 4 – 2,4 · 100 = · 100 = 66,7 % IC1 2,4 (58) es decir, que la corriente de colector para el caso β2 es un 66,7 % más grande que para el caso de β1 , lo que demuestra la influencia que tiene el parámetro β en las corrientes del transistor. De esta forma, concluimos el apartado dedicado al conocimiento del transistor BJT y en el apartado 2 vamos a ver cómo utilizarlo en circuitos reales dedicados a tareas de amplificación. 1.7. Recapitulación ¿Qué hemos aprendido? En este apartado, • Habéis conocido la estructura física de un transistor BJT. • Habéis conocido el mecanismo interno de funcionamiento de un BJT. • También habéis obtenido un modelo eléctrico sencillo de su comportamiento, pero a la vez suficientemente representativo. • Habéis conocido las diferentes regiones de funcionamiento de un BJT. Con todo esto, ya disponéis de los conocimientos sobre el BJT necesarios para que podáis enfrentar en el siguiente apartado el diseño de circuitos de amplificación basados en BJT. CC-BY-SA • PID_00170129 43 El transistor 2. El transistor a frecuencias intermedias y pequeña señal . En el apartado 1, habéis conocido la estructura física del transistor y su principio básico de funcionamiento. Una de sus características fundamentales es que, en la región activa directa, el BJT se comporta como un amplificador de corriente: la corriente de colector es β veces la corriente de base tal como indica la ecuación 49. Éste es el fundamento de la amplificación basada en BJT y la base del denominado efecto transistor. En este apartado, os vamos a mostrar cómo utilizar este hecho para diseñar circuitos de amplificación basados en el transistor BJT. . En las aplicaciones de amplificación, el BJT trabaja en su región activa directa. Ésta va a ser la región en la que trabajaremos en todo este apartado. Sin embargo, en muchas ocasiones no vamos a estar interesados en la amplificación de corriente, sino en la amplificación de tensión. Así que podrían surgir de un modo natural las preguntas, ¿qué podemos decir de las tensiones? ¿Podemos conseguir también ganancia en tensión si utilizamos un BJT en activa directa? Por otro lado, ya vimos en el subapartado 1.3 que el BJT puede trabajar en tres configuraciones diferentes (emisor, base o colector común). Podríamos plantearnos si se pueden diseñar amplificadores basados en BJT para cada configuración o sólo para algunas. Responderemos a estas preguntas a lo largo de este apartado. Imaginad ahora que queremos amplificar una señal de tensión que varía con el tiempo y que, por ejemplo, toma valores positivos y negativos. No podríamos aplicar directamente esta señal al BJT, ya que al ser variable su polaridad estaríamos cambiando el modo de funcionamiento del BJT en cada ciclo de la señal y pasar de amplificar en unas situaciones a que funcione en corte o en saturación en otras, lo que implica que el BJT no tiene el comportamiento deseado en todo instante de tiempo. ¿Qué podemos hacer ante esta circunstancia? Una solución podría ser añadir a la señal oscilante que queremos amplificar una componente de continua de amplitud suficientemente grande de tal forma que, aunque la señal por amplificar cambiara con el tiempo, la polaridad que sienten los terminales no cambiara. Así, el BJT siempre trabajaría en la misma región de funcionamiento, que en este caso queremos que sea la de activa directa, que es la que conviene para amplificación. Polaridad de la señal Se llama polaridad de la señal a su signo, positivo o negativo. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 44 . El circuito o red de polarización es el encargado de proporcionar la tensión de continua que se superpone a la señal de interés con objeto de que el BJT no cambie de región de operación a pesar de las variaciones temporales de la señal. Por lo tanto, lo primero que veremos en el subapartado 2.1 es cómo son y có- Ved también mo diseñar estos circuitos de polarización. De esta forma, podremos garantizar que el BJT siempre se encuentra en su región de activa directa. Como acabamos de mencionar, la amplitud de la señal continua debe ser más grande que la amplitud de la señal oscilante para que la polaridad no cambie o, dicho con otras palabras, la amplitud de la señal por amplificar debe ser más pequeña que la amplitud de la señal de continua. En este sentido, diremos que el amplificador funciona en pequeña señal: sólo amplifica una señal más pequeña que la componente de continua. Estos conceptos de pequeña señal y de frecuencia intermedia (a los que hace referencia el título del apartado) serán tratados en el subapartado 2.2. De esta forma, estableceremos las limitaciones de aplicación de los amplificadores que vamos a presentar. Por otro lado, una de las dificultades en el diseño de circuitos electrónicos basados en BJT es la no linealidad de las ecuaciones que lo describen, como vimos en el subapartado 1.4. Por suerte, si la amplitud de la señal por amplificar es pequeña, todas las corrientes y voltajes se moverán en torno a los valores de continua y el comportamiento del BJT será prácticamente lineal. Si aproximamos el BJT por un modelo lineal, el análisis del circuito será mucho más sencillo. Por lo tanto, en el subapartado 2.3 vamos a presentar los modelos lineales del BJT más utilizados en el análisis de circuitos. Tras estas preparaciones preliminares, en el subapartado 2.4 por fin presentamos y analizamos topologías concretas de circuitos de amplificación. ¿Qué vamos a aprender? En este apartado, aprenderéis: • A analizar un circuito de polarización. • A diseñar un circuito de polarización basado en divisor de tensión para la región activa directa. • Los modelos de parámetros h y r del transistor BJT. • A cómo analizar un circuito de amplificación basado en BJT. • Las topologías básicas de circuitos de amplificación en emisor, base y colector común con sus características principales. ¿Qué vamos a suponer? Supondremos que tenéis conocimientos de análisis de circuitos y de las ecuaciones básicas del BJT alcanzados en el apartado 1 de este módulo. En particular: Recordad que el circuito de polarización ya fue definido en el subapartado 1.2 de este módulo. CC-BY-SA • PID_00170129 45 • Que conocéis las leyes de Kirchhoff. • Que conocéis el principio del divisor de tensión. • Que conocéis el teorema de Thévenin. • Que conocéis las ecuaciones que ligan las corrientes en un BJT que opera El transistor en la región activa directa. • Que conocéis el concepto de frecuencia intermedia. Comenzamos con la presentación de los circuitos de polarización del BJT. 2.1. Polarización y punto de trabajo del transistor Según lo indicado en la introducción a este apartado, debemos acoplar al transistor un circuito externo (circuito de polarización) que fije en sus terminales unas tensiones en continua que obliguen al BJT a trabajar en su región de activa directa. Así, la superposición de estas tensiones continuas con una señal de amplitud suficientemente pequeña que varíe con el tiempo no sacará al BJT de esta región de funcionamiento. En definitiva, lo que queremos es fijar unas corrientes y unos voltajes de continua determinados en los terminales del transistor. . Los valores de las corrientes y voltajes en continua en los terminales del transistor definen lo que se llama un punto de trabajo o punto Q. Surgen dos preguntas importantes que debemos responder: • Dado un circuito de polarización, ¿cómo calculamos el punto de trabajo? Es decir, ¿cómo calculamos los valores de corrientes y voltajes de continua que siente el transistor? • Si elegimos un punto de trabajo, ¿cómo diseñamos el circuito de polarización adecuado? Vamos a intentar responder ahora a estas preguntas, comenzando por la primera. Para ello, introduciremos una herramienta, denominada recta de carga, que será la encargada de determinar el punto de trabajo del transistor. 2.1.1. Punto de trabajo del BJT y recta de carga En este subapartado, vamos a ver cómo determinar el punto de operación de un BJT conocido el circuito de polarización utilizado. Para ello, seguiremos los pasos que debemos dar en un ejemplo concreto pero suficientemente representativo del procedimiento. Consideremos el circuito de la figura 22. Terminales del transistor Recordad que los terminales del transistor reciben los nombres de colector (C), emisor (E) y base (B). CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 46 Figura 22. Circuito ejemplo para la determinación del punto de trabajo IC C B VBB Figura 22 RC Circuito eléctrico que sirve de ejemplo para el cálculo del punto de trabajo del BJT. En concreto, el circuito se llama de polarización de base. El punto de trabajo está determinado por las tensiones y corrientes de continua en sus terminales. VCC RB IB E IE Malla salida Malla entrada En él, podemos ver: • El transistor BJT, de tipo NPN que se encuentra en modo de emisor común. • Dos fuentes de tensión continua, VBB y VCC . • Dos resistencias RB y RC . BJT en emisor común Es razonable e intuitiva la presencia del BJT y de las fuentes de tensión, que son las que deben proporcionar la polaridad a cada unión PN que conforma el BJT, en la figura 22. Sin embargo, ¿cuál es el papel que desempeñan las resistencias? El BJT del circuito de la figura 22 está en emisor común porque es el emisor el que comparte la masa con los circuitos de entrada y salida, como vimos en el subapartado 1.3. Además, la salida está tomada en el colector. El circuito de polarización no tiene como única misión establecer las corrientes y tensiones del transistor en continua. Entre transistores fabricados en la misma partida puede haber una dispersión de los valores de β muy grande y el circuito de polarización tiene también como misión hacer que el punto de trabajo sea lo más insensible posible a esa dispersión de valores, de ahí que aparezcan una serie de resistencias colocadas de una forma determinada para intentar lograr este objetivo. De hecho, al diseñar circuitos de polarización en el subapartado 2.1.2 prestaremos atención a cómo se comporta el punto de operación frente a cambios en el valor de β. Las variaciones en el valor de β no sólo provienen de la dispersión de fabricación sino también de las variaciones de temperatura, ya que ésta influye directamente en su valor como vimos en el subapartado 1.6. Por lo tanto, será importante conseguir un circuito de polarización que mantenga el punto de trabajo lo más estable posible, ya que estas variaciones son típicas. Para determinar las corrientes y tensiones que circulan por el transistor, vamos a seguir los siguientes pasos: 1) Escribir la ecuación de malla cerrada en el circuito conectado a la base. Para ello, hacemos uso de la ley de Kirchhoff de tensiones aplicada a la malla de entrada indicada en la figura 22 y obtenemos VBB = IB RB + vBE (59) Dispersión de valores de β La dispersión en los valores de β significa que transistores con la misma denominación comercial pueden tener valores muy diferentes del parámetro β. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 47 donde vBE es el potencial de la base medido desde el emisor. Potencial vBE 2) Despejar de la ecuación 59 el valor de IB (puesto que vBE es conocido): IB = VBB – vBE RB (60) De esta forma, la corriente IB del transistor es ahora conocida, puesto que todos los elementos del lado derecho de la ecuación 60 son conocidos. 3) Utilizar la ecuación 45, IC = βIB , para encontrar el valor de IC . De esta forma, dando valores a la resistencia RB se puede determinar el valor deseado para IB e IC , ya que es la resistencia RB la que determina el valor de IB a través de la ecuación 60. 4) Escribir la ecuación de malla cerrada al circuito conectado al colector. Para ello, hacemos uso de la ley de Kirchhoff de tensiones a la malla de salida indicada en la figura 22 y obtenemos: VCC = IC RC + vCE (61) de donde podemos determinar el valor de vCE despejándolo de la anterior ecuación 61: vCE = VCC – IC RC (62) Mediante estos pasos, podemos determinar todas las corrientes y voltajes del BJT en la región activa. Básicamente, vemos que la determinación del punto de operación viene dada si fijamos los valores de (IC ,vCE ) de tal forma que nos referiremos al punto de trabajo únicamente mediante estos valores. . El punto de operación está definido mediante el par Q = (vCE ,IC ). Una alternativa muy extendida a este método consiste en encontrar el punto de trabajo de una forma gráfica. Para ello, despejamos IC de la ecuación 61 y lo representamos frente a vCE . Esta representación gráfica resulta ser una recta en el plano (vCE ,IC ), que recibe el nombre de recta de carga. . Se llama recta de carga a la recta resultante de representar IC frente a vCE . Recordad que en la región de activa directa ese valor es prácticamente constante e igual a 0,7 V para los transistores de silicio. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 48 En la figura 23, podéis ver dibujada la recta de carga. Figura 23. Obtención del punto de operación mediante la recta de carga IC La recta de carga está superpuesta con las características del transistor. El punto de cruce entre ambas para un valor determinado de la corriente de base proporciona el punto de trabajo del transistor. Recta de carga Punto de operación IC,Q IB,Q vCE,Q vCE A continuación, se superponen las características del BJT en la región de activa directa y se busca el punto de intersección entre éstas y la recta de carga para el valor deseado de IB . Esta intersección es el punto de operación. A partir de las coordenadas del punto de intersección, podemos calcular los valores de ICQ y de vCEQ (que son los valores que corresponden al punto de operación) como las proyecciones de ese punto sobre los ejes de coordenadas. Se trata, por lo tanto, de un método gráfico para su determinación. En particular, la recta de carga calculada de esta forma se denomina recta de carga estática debido a que el punto de trabajo permanece inamovible una vez fijado. La razón es que, como las tensiones no cambian con el tiempo, todos los parámetros de la ecuación 61 son estáticos y siempre definen la misma recta. Si las características del BJT no cambian, el transistor permanecerá con los valores de corriente y tensión especificados. No obstante, hay dos motivos que pueden hacer variar el punto de trabajo: 1) El primero es si tenemos a la entrada una tensión variable en el tiempo. Entonces, IB cambiará con el tiempo, lo que implica que IC también lo haga puesto que están relacionadas a través de la ecuación 43. De aquí podéis deducir que la recta de carga cambiará su posición con el tiempo y, por lo tanto, interceptará en diferentes posiciones las características del BJT. Como consecuencia, la posición del punto de trabajo cambiará. En la figura 24, podéis apreciar gráficamente lo que está ocurriendo. Figura 23 CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 49 Figura 24. Superposición de una señal variable a un punto de trabajo en continua Figura 24 Recta de carga 1 Se muestra cómo el punto de trabajo cambia su posición debido a que hay una señal periódica a la entrada que cambia el valor de la corriente de base. Entonces, la recta de carga intercepta en diferentes posiciones las características del transistor, lo que da lugar a un punto de trabajo que varía en el tiempo. Recta de carga 2 Recta de carga 3 IC Punto de operación en continua iC (t) IC,Q vCE,Q vCE Movimiento punto de operación vC (t) Tenemos un punto de operación en continua, pero debido a la presencia de señales oscilatorias que se superponen con los valores de continua, la recta de carga cambia de posición. En la figura 24, tenéis la recta de carga en tres instantes de tiempo diferentes que dan lugar a tres rectas de carga etiquetadas con 1, 2 y 3. El punto de operación cambia en el tiempo moviéndose entre ellos. La recta de carga cambiante con el tiempo se denomina recta de carga dinámica. . La recta de carga dinámica es la recta de carga que cambia con el tiempo debido al cambio con el tiempo de la corriente de base IB . Ahora podemos expresar el objetivo de este subapartado de una manera más técnica: lo que pretendemos es diseñar un circuito de polarización que haga que la recta de carga dinámica mantenga el punto de trabajo del BJT en la misma región de funcionamiento. 2) El otro motivo que puede hacer variar el punto de trabajo es la variación de las características del transistor debido a que sus parámetros, en concreto el valor de β, pueden cambiar con el tiempo. Estas variaciones son inevitables, pero lo que sí podremos hacer es intentar minimizarlas mediante el uso de los circuitos de polarización. Veamos algunos ejemplos de circuitos de polarización. 2.1.2. Topologías de circuitos de polarización En el subapartado anterior, hemos visto cómo determinar el punto de trabajo de un BJT conocido el circuito de polarización utilizado. En este subapartado, CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 50 vamos a ver diferentes configuraciones de circuitos de polarización y vamos a aplicar el procedimiento general presentado en el subapartado 2.1.1 para el cálculo de su punto de trabajo. Existen diferentes topologías de circuitos que permiten lograr los objetivos planteados en el subapartado 2.1.1. No analizaremos todas con detalle sino que nos centraremos, a modo de ejemplo, en dos de ellas: la polarización de base y la de división de tensión en emisor común. El resto de topologías se pueden analizar de un modo equivalente a como lo vamos a hacer con estas dos. Polarización de base Objetivos de los circuitos de polarización Recordad que los objetivos de los circuitos de polarización son básicamente dos: 1) Fijar el modo de funcionamiento del BJT. 2) Conseguir que el punto de operación sea lo más insensible posible a las variaciones de β. El circuito de polarización de base está dado por la figura 25. Figura 25. Circuito de polarización de base Figura 25 IC C B RB VBB Circuito eléctrico que muestra la topología de polarización del BJT que recibe el nombre de polarización de base. RC VCC IB E IE Malla salida Malla entrada Como veis, es el mismo circuito que hemos tomado de ejemplo al comienzo del subapartado 2.1. Por lo tanto, para calcular el punto de operación, no tenemos más que seguir los pasos mostrados en el subapartado 2.1.2. Veamos con un ejemplo cómo se calcula. Ejemplo 3 Calculad el punto de operación de un circuito de polarización de base definido por los siguientes parámetros: • • • RB = 560 kΩ, RC = 1,8 kΩ VCC = VBB = 12 V β = 120 y vBE = 0,7 V Solución Para calcular el punto de operación, seguimos los pasos indicados en el subapartado 2.1.1: 1) En primer lugar, escribimos la ecuación de malla en la entrada dada por la ecuación 63: VBB = IB RB + vBE ⇒ 12 = IB 560 · 103 + 0,7 2) A continuación, despejamos IB a partir de la ecuación 63: (63) Valor de vBE Recordad que en la región de activa directa, para el silicio, vBE tiene un valor típico de 0,7 V. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 51 IB = 12 – 0,7 = 2 · 10–5 A 560 · 103 (64) Unidades De esta forma, ya hemos calculado el valor de la corriente de base. 3) El paso siguiente es calcular IC según la ecuación 49: IC = βIB = 120 · 2 · 10–5 = 2,4 · 10–3 A = 2,4 mA (65) De donde ya tenemos calculada la corriente de colector. Fijaos en que la corriente de colector es bastante mayor que la corriente de base. 4) El último paso es escribir la ley de Kirchhoff de tensiones para la malla de salida y calcular vCE : vCE = VCC – IC RC = 12 – 2,4 · 10–3 · 1.800 = 7,64 V (66) El punto de operación es, por lo tanto: Q = (IC = 2,4 mA,vCE = 7,64 V) (67) Comprobemos ahora cómo responde esta topología de polarización ante posibles variaciones en los parámetros internos del transistor, es decir, ante variaciones en el valor de β. Inicialmente, se ha fijado el punto de trabajo para una corriente establecida de entrada IB que dará lugar a un valor de la corriente IC . Si ahora el valor de β cambia, entonces el punto de trabajo se traslada a una nueva posición. Podéis comprobar este hecho si partís de la ecuación 63 combinada con la 49: IC = β (V – v ) RB CC BE (68) De esta ecuación, podéis deducir directamente que la corriente de colector cambia sin cambiar la de base. Veamos cuánto es ese cambio en un ejemplo. Ejemplo 4 Supongamos que estamos ante el mismo circuito que en el ejemplo 3, pero que ahora β = 240. Calculemos el nuevo punto de operación. Solución 1) En primer lugar, escribimos la ecuación de malla cerrada a la entrada, que es exactamente la ecuación 63. 2) A continuación, calculamos IB según la ecuación 64: IB = 12 – 0,7 = 2 · 10–5 A 560 · 103 que, como no depende de β, no altera su valor. (69) Todas las unidades deben estar en el Sistema Internacional de Unidades, por lo tanto los kiloohmios de RB se han pasado a ohmios. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 52 3) El paso siguiente es calcular IC según la ecuación 49: IC = βIB = 240 · 2 · 10–5 = 4,8 · 10–3 A = 4,8 mA (70) Vemos en esta ecuación que, al doblarse el valor de β, se ha doblado el valor de la corriente de colector sin haber cambiado el valor de la corriente de base. 4) El último paso es calcular vCE mediante la ecuación 66: vCE = VCC – IC RC = 12 – 4,8 · 10–3 · 1.800 = 3,28 V (71) El punto de operación es, por lo tanto, Q = (IC = 4,8 mA,vCE = 3,28 V). Si se compara este punto de operación con el obtenido en el ejemplo 3 se observa que ¡es un punto de operación muy diferente! A pesar del circuito de polarización, la variación del punto de polarización sigue siendo importante. ¿Se podría mejorar la estabilidad del punto de operación? En el siguiente subapartado, vamos a ver una topología que permite conseguirlo y vamos a analizar la fuente de esa mejora. Polarización por división de tensión Uno de los circuitos de polarización más empleados en amplificación es el que utiliza el principio del divisor de tensión y que podéis ver en la figura 26. Figura 26. Circuito de polarización por división de tensión R1 Figura 26 Topología de polarización del BJT llamada de división de tensión. Es una de las topologías más usadas en el diseño de circuitos de amplificación. RC IC C B VCC IB R2 E IE RE En ella, el punto de operación del BJT está determinado por el valor de las resistencias R1 y R2 como vamos a ver. El motivo de su utilización es la mejora que se obtiene en la estabilidad del punto de operación en comparación con la polarización de base que hemos estudiado en el subapartado 2.1.2. La razón física de esta mejora se encuentra en la utilización de una resistencia de emisor RE . Valor de IB El valor de IB es muy pequeño frente al resto de corrientes y por eso, cuando esté sumada a otras corrientes, se despreciará. Esto es, IB + IC ≈ IC . CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 53 Estabilidad de punto de operación La estabilidad del punto de operación se refiere a la variación del punto de operación con respecto a las variaciones en β ocasionadas por la temperatura o bien por la dispersión de valores entre transistores con la misma denominación. Esta resistencia desempeña un papel de realimentación negativa al punto de operación del transistor de tal forma que, si hay factores externos que tienden a mover su posición, la acción de RE tiende a oponerse. Analicemos primero el punto de operación del circuito de la figura 26 y luego su dependencia con β. Este circuito es diferente del utilizado como ejemplo en el subapartado 2.1.2. Sin embargo, podremos seguir unos pasos completamente análogos para el Ved también El concepto de realimentación se estudia en el módulo “Realimentación y osciladores” y consiste en comparar la salida deseada con la salida obtenida para disminuir la desviación entre ellas. cálculo del punto de operación. Veamos en qué se traducen esos pasos para este circuito. Seguiremos el mismo orden que en el subapartado 2.1.2. En primer lugar, calcularemos el valor de la corriente de base, IB , después el valor de la corriente de colector, IC , y después la tensión, vCE . Para facilitar los cálculos que se deben completar, es conveniente, en primer lugar, simplificar el circuito de partida. Para ello, obtendremos el equivalente Thévenin del circuito de entrada. Podéis verlo en la figura 27, donde aparecen recuadrados los elementos que se emplearán para obtener el equivalente. Figura 27. Cálculo del equivalente Thévenin del circuito de entrada Modificación en la posición de los elementos R1 y R2 de la figura 26 para poder calcular más fácilmente el equivalente Thévenin del circuito de entrada. RC IC C B VCC R1 E IB IE VCC R2 Figura 27 RE Equivalente Thèvenin A la vista de esta configuración, podemos explicar también por qué se le denomina polarización por división de tensión. Dado que IB es mucho más pequeño que IR1 , podemos suponer que casi toda la corriente IR1 pasa por R2 y por lo tanto que la caída de tensión que siente el terminal de base se corresponde con la de un divisor de tensión formado por las resistencias R1 y R2 . CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 54 La resistencia equivalente está dada por la asociación de R1 y R2 en paralelo. Por lo tanto, Ved también RTh R1 R2 = R1 + R2 (72) En el anexo de la asignatura, tenéis el procedimiento de cálculo del equivalente Thévenin. mientras que el voltaje equivalente se puede calcular como la caída de potencial en el terminal de base, B, del BJT de la figura 27: VTh = VCC R2 R1 + R2 (73) El circuito simplificado de esta forma se puede ver en la figura 28. Figura 28. Circuito equivalente del circuito de polarización por división de tensión Figura 28 Circuito de polarización por división de tensión en el que se ha sustituido el circuito de entrada por su equivalente Thévenin con objeto de que sea más sencillo su análisis. RC IC C B VCC RTh E IB IE VTh Malla entrada RE Malla salida Después de haber hecho esta simplificación, resulta mucho más sencillo seguir los pasos mencionados en el subapartado 2.1.2: 1) Escribir la ley de Kirchhoff de tensiones para la malla de entrada, VTh = IB RTh + vBE + IE RE (74) Si ahora hacemos uso de la ecuación 50 y escribimos IE en términos de IB , la ecuación 74 se convierte en: VTh = IB RTh + vBE + βIB RE = vBE + (βRE + RTh )IB (75) 2) Despejar de esta ecuación IB : IB = VTh – vBE RTh + βRE (76) Recordad que el valor de vBE es aproximadamente 0,7 V. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 55 3) Calcular el valor de IC a partir de la ecuación 43, IC = βIB = β VTh – vBE RTh + βRE (77) 4) Escribir la ley de Kirchhoff de tensiones para la malla de salida, VCC = IC RC + vCE + IC RE (78) de donde podemos despejar vCE para obtener el punto de trabajo del BJT. Veamos con un ejemplo cómo calcular el punto de trabajo de un BJT polarizado por divisor de tensión. Ejemplo 5 Calculad el punto de operación de un BJT polarizado mediante división de tensión para el circuito definido por los parámetros: • • • • R1 = 22 kΩ, R2 = 11 kΩ RE = 1 kΩ, RC = 1,2 kΩ VCC = 9 V β = 120 y vBE = 0,7 V Solución Seguimos los pasos indicados para el cálculo del punto de operación. En primer lugar, calculamos los equivalentes Thévenin del circuito de entrada mediante las ecuaciones 72 y 73: RTh = R1 R2 = 7.333 Ω R1 + R2 (79) R2 =3V R1 + R2 (80) VTh = VCC Una vez que ya tenemos los equivalentes Thévenin, continuamos con los siguientes pasos: 1) Escribimos la ley de Kirchhoff de tensiones en la malla de entrada, dada por la ecuación 74: VTh = IB RTh + vBE + IE RE (81) 3 = 7.333IB + 0,7 + 1.000IE (82) Ahora hacemos uso de la ecuación 50, IE ≈ βIB , y convertimos la ecuación 82 en: 3 ≈ 7.333IB + 0,7 + 1.000βIB (83) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 56 2) De la ecuación 83 podemos despejar IB (como indica la ecuación 76): IB = 3 – 0,7 = 1,81 · 10–5 A 7.333 + 120 · 1.000 (84) y así ya tenemos calculada IB . 3) Ahora podemos calcular IC mediante la ecuación 77: IC = βIB = 120 · 1,81 · 10–5 = 2,17 mA (85) 4) Finalmente, si aplicamos la ley de Kirchhoff de tensiones en la malla de salida dada por la ecuación 78 obtenemos: VCC = IC RC + vCE + IC RE (86) vCE = VCC – IC RC – IC RE = 4,2 V (87) de donde despejamos vCE : Y ya tenemos calculado el punto de operación que viene dado por: Q = (vCE = 4,2 V,IC = 2,17 mA) (88) Comprobemos si el circuito planteado ofrece una insensibilidad mayor a la dispersión en el valor de β que la polarización de base mostrada en el subapartado 2.1.2. Fijaos en la ecuación 77. También se puede escribir como: IC = VTh – vBE RTh β + RE (89) A partir de la ecuación 89, podemos deducir que si β es un número mucho mayor que RTh (que habitualmente lo es) entonces IC ≃ RTh β ≪ RE y así: VTh – vBE RE (90) es decir, prácticamente insensible a la variación de β (puesto que β no aparece explícitamente en la ecuación) con lo que hemos conseguido uno de los objetivos del circuito de polarización. Realmente este objetivo se ha conseguido gracias a la introducción de la resistencia de emisor RE . Veamos por qué. Si β aumenta, la corriente de colector aumenta, pero también la corriente de Ley de Ohm emisor. Entonces, si la corriente de emisor se incrementa, la caída de potencial en la resistencia RE también aumenta, ya que se satisface la ley de Ohm. Ahora bien, si VRE aumenta, la caída de potencial en la resistencia equivalente RTh disminuye y, por lo tanto, IB debe disminuir, lo que implica que la corriente La ley de Ohm establece que la caída de potencial V en una resistencia R por la que circula una corriente I está dada por V = IR. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 57 IC disminuya; así, por lo tanto, actúa como una realimentación negativa, tal como estudiasteis en el módulo “Realimentación y osciladores”. Ejemplo 6 Para comprobar el efecto de la variación de β en el punto de operación en un esquema de polarización por divisor de tensión, consideremos el caso del ejemplo 5 en el que β = 240. Calculemos el punto de operación en este caso y comparémoslo con el obtenido entonces. Solución Los equivalentes Thévenin de la malla de entrada son los mismos que en el ejemplo 5, así que podemos pasar directamente al cálculo de IB , IC y vCE . Para ello: 1) Escribimos la ley de Kirchhoff de tensiones a la malla de entrada: 3 = 7.333IB + 0,7 + 1.000IE (91) Ahora volvemos a usar la ecuación 50, IE ≈ βIB , y convertimos la ecuación anterior en: 3 = 7.333IB + 0,7 + 1.000βIB (92) 2) De esta ecuación, podemos despejar IB en la forma: IB = 3 – 0,7 = 9,3 · 10–6 A 7.333 + 240 · 1.000 (93) 3) Ahora podemos calcular IC como: IC = βIB = 240 · 9,58 · 10–6 = 2,23 mA (94) 4) Finalmente, aplicando la ley de Kirchhoff de tensiones a la malla de salida, obtenemos: VCC = IC RC + vCE + IC RE (95) vCE = VCC – IC RC – IC RE = 4,1 V (96) de donde despejamos vCE : Y ya tenemos calculado el punto de operación que viene dado por: Q = (vCE = 4,1 V,IC = 2,3 mA) (97) Como podéis observar, la variación del punto de operación hasta un primer decimal es inapreciable, con lo que se consigue uno de los objetivos que queríamos con la red de polarización, que es que presenta insensibilidad frente a variaciones de β. La razón de esta insensibilidad radica en el hecho de que la corriente de base ahora cambia con el valor de β y, mediante esta forma, el producto βIB se mantiene prácticamente constante. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 58 Tened en cuenta que esta insensibilidad a los valores de β se consigue si RTh β ≪ RE . Es decir, deberemos elegir R1 y R2 para que se satisfaga esa desigual- dad. Podemos fijar el siguiente criterio, a efectos de diseño, para satisfacer esa condición: RE = 10 RTh βmin (98) donde βmin representa el valor de β más pequeño que puede tener el BJT de la familia que se esté usando. A modo de ejemplo, podéis ver en la tabla 2 algunos valores característicos de β de algunas familias de transistores donde podéis observar la enorme dispersión de sus parámetros y, por lo tanto, la importancia de un buen circuito de polarización. Tabla 2. Valores típicos de β en algunas familias de transistores βmin βmax BC108 110 800 2N2222 100 300 Finalmente, notad que la clave para lograr la estabilidad del punto de operación ha sido incluir una resistencia de emisor RE debido a que desempeña un papel de realimentación negativa. Este hecho podría haberse extendido también a la polarización de base que vimos en el subapartado 2.1.2 incluyendo en el diagrama una resistencia en el emisor. Sin embargo, uno de los tipos de polarización más usados es el de división de tensión que hemos visto en este subapartado. Ahora ya conocéis dos posibles topologías de polarización y cómo llevar a cabo su análisis. El siguiente paso será ver cómo se pueden diseñar. 2.1.3. Diseño de redes de polarización El objetivo de este subapartado es proporcionaros una técnica para el diseño de redes de polarización basadas en la topología de divisor de tensión que acabamos de estudiar en el subapartado 2.1.2. La idea es fijar el punto de operación y, a partir de él, fijar los valores de las resistencias que aparecen en la red de polarización. Éste no es un proceso trivial ya que, por ejemplo, como muestra la ecuación 98, no hemos obtenido el valor directamente de las resistencias, sino de su equivalente Thévenin. Además, la solución no es única, es decir, existen diferentes conjuntos de valores de resistencias (R1 ,R2 ,RE ,RC ) que permiten obtener el mismo punto de operación. El punto de partida será el conocimiento de vCE e IC , que determinan el punto de operación, y el voltaje de la alimentación VCC . En este punto, aparece el problema de cómo elegir estos valores para una cierta aplicación. En aplicaciones de amplificación, estos valores se eligen normalmente de tal forma que la salida pueda ser lo más grande posible sin que cambie la región de operación del BJT. Este criterio se puede ver gráficamente en la figura 29. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 59 Figura 29. Superposición de una señal variable a un punto de trabajo en continua IC Punto de operación en continua Figura 29 iC (t) Representación de un punto de operación en continua al que se le ha superpuesto una señal externa periódica descrita por la señal sinusoidal IC , dibujada en la parte derecha del dibujo. Entonces, el punto de operación también se mueve periódicamente. En consecuencia, los valores de las corrientes y tensiones en los terminales lo hacen. En la figura, podéis ver la tensión vCE como una señal sinusoidal en la parte inferior del dibujo. IC,Q vCE Excursión simétrica máxima vCE En ella podemos observar, superpuestos, el punto de operación en continua y su movimiento debido a las señales variables en el tiempo. Lo que se desea es que el movimiento del punto de operación pueda ser de la mayor amplitud posible sin que se salga de la región de trabajo. Es decir, que se pueda mover con la mayor amplitud posible hacia ambos lados y que, por lo tanto, tenga una excursión simétrica máxima. Así, podremos amplificar señales de una mayor amplitud. Para ello, el punto de operación se suele situar en un lugar central en la región de activa directa. Para calcular un punto central, miremos la figura 30. Podéis ver que la recta de carga intercepta el eje horizontal en un valor de tensión dado por vCE = VCC . Regiones de polarización La polarización que presentamos en este subapartado no es la única posible para el transistor. En ocasiones, puede ser necesario sacrificar excursión simétrica y linealidad para conseguir mejorar otros parámetros como la eficiencia del circuito y su consumo energético. No obstante, en este módulo no vamos a profundizar en estos aspectos. Figura 30. Lugar central en las características Figura 30 IC Recta de carga Recta de carga y situación del punto de operación sobre ella para que permita un movimiento máximo a ambos lados. La solución es situarlo en una parte central de las características del BJT. Punto de operación en la mitad de la recta IC,Q IB,Q vCE,Q VCC /2 VCC vCE CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 60 Si ahora tenemos en cuenta que vCE,sat ≪ VCC , entonces el punto central se situará aproximadamente en la mitad de la recta de carga, que será cuando el potencial vCE sea la mitad de la tensión en continua VCC . Por lo tanto, un lugar central en las características se podrá obtener por medio de la ecuación: vCE ≃ 0,5 VCC (99) La ecuación 99 se puede interpretar como un criterio de diseño para colocar el punto de operación. Esto significa que es tan sólo una recomendación, no es necesario que siempre elijamos este punto; el diseñador puede elegir el valor de vCE que decida. En cualquier caso, una vez tenemos los datos de entrada, ya podemos proceder al diseño del circuito de polarización. Sin embargo, antes de pasar a describir los pasos del diseño hagamos un breve resumen de los datos y criterios que debemos utilizar: • Punto de trabajo deseado, (ICQ ,vCEQ ). • Voltaje de alimentación deseado, VCC . • Condición para que el circuito presente insensibilidad con respecto a va- Recordatorio de símbolos Th riaciones de β, RE = 10 βRmin • Finalmente, imponemos que vRE ≃ 0,1VCC . Esta condición hay que imponerla para obtener una solución concreta al problema de diseño, ya que hay diferentes combinaciones de valores de resistencias que podrían conseguir el punto de operación deseado. Por lo tanto, es una forma de obtener una solución única al problema. . Los pasos que hemos de seguir con objeto de diseñar una red de polarización son los siguientes: 1) Conocer IC y vCE , que sitúan el punto de trabajo deseado para el transistor. 2) Conocer el valor de VCC , que es la fuente de alimentación del circuito y normalmente dato del problema. 3) Conocer el valor de βmin , que da cuenta del valor más pequeño de β que se puede presentar en la familia de transistores utilizados y que proporciona el fabricante del dispositivo. 4) Hacer que vRE = 0,1VCC y obtener el valor de la resistencia RE , mediante la ley de Ohm: RE = vRE IC (100) Los símbolos que utilizamos tienen los siguientes significados: • RE es la resistencia de emisor. • vCE es la tensión de colector medida desde el emisor. • RTh es el equivalente Thévenin de las resistencias R1 y R2 . • vRE es la caída de tensión en la resistencia RE . CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 61 . Ecuación 101 5) Dimensionar la fuente Thévenin en la forma VTh = 0,7 + vRE (101) Esta ecuación surge de la malla de entrada en la que se ha supuesto que IB es suficientemente pequeña como para que no caiga una tensión apreciable en RTh . 6) Elegir la resistencia Thévenin con el criterio mostrado en la ecuación 98: RTh = 0,1βmin RE (102) 7) A partir de los puntos 5 y 6, calcular R1 y R2 utilizando las ecuaciones 101 y 102: VCC RTh VTh (103) VCC RTh VCC – VTh (104) R1 = R2 = 8) Finalmente, despejar RC de la ecuación 78: RC = VCC – vCE – IC RE IC (105) puesto que ahora el resto de variables son conocidas. De esta forma, podréis diseñar un circuito de polarización con una adecuada insensibilidad con respecto a las variaciones de β en función del dispositivo y en el punto de operación que queráis. Ejemplo 7 Diseñad un circuito de polarización por división de tensión como el representado en la figura 26 para situar un BJT de βmin = 100 y vBE = 0,7 V en el punto de operación dado por Q = (vCE = 4 V,IC = 2,5 mA) si la fuente utilizada es de VCC = 10 V. (Fijaos en que en este ejemplo el diseñador ha decidido no seguir la recomendación de vCE ≃ 0,5 VCC ). Solución Seguimos los pasos mencionados en el recuadro gris. En primer lugar, debemos tener disponibles los datos iniciales: 1) Conocer el punto de trabajo para el transistor. En este caso, es Q = (vCE = 4 V,IC = 2,5 mA). El valor de 0,7 V que aparece en la ecuación 101 es debido a que vBE ≈ 0,7 V para transistores de silicio. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 62 2) Conocer el valor de la fuente de continua, VCC . En nuestro problema, VCC = 10 V. 3) Conocer el valor de βmin . En el enunciado, nos dicen que βmin = 100. Ahora que ya tenemos presentes todos los datos necesarios, podemos comenzar con la fase de diseño propiamente dicha. 4) Inicialmente, debemos calcular la resistencia RE . Primero calculamos su diferencia de potencial según: VRE = 0,1VCC = 1 V (106) y a continuación el valor de la resistencia haciendo uso de la ley de Ohm: RE = vRE 1 = = 400 Ω IC 0,0025 (107) 5) Ahora dimensionamos la fuente Thévenin en la forma: VTh = 0,7 + vRE = 0,7 + 1 = 1,7 V (108) 6) Elegimos la resistencia Thévenin, RTh como: RTh = 0,1βmin RE = 0,1 · 100 · 400 = 4.000 Ω = 4 kΩ (109) 7) Una vez que ya tenemos los equivalentes Thévenin dados por las ecuaciones 108 y 109, calcularemos las resistencias R1 y R2 : R1 = VCC RTh 10 · 4.000 = = 2,353 · 104 Ω VTh 1,7 (110) VCC RTh 10 · 4.000 = = 4.819 Ω VCC – VTh 10 – 1,7 (111) R2 = 8) Finalmente, despejamos el valor de RC : RC = VCC = IC RC + vCE + IC RE (112) 10 – 5 VCC – vCE – RE = – 400 = 1.600 Ω IC 0,0025 (113) Por lo tanto, ya tenemos todos los parámetros que definen la red de polarización buscada. Ahora, como ejercicio, podéis analizar el circuito con los parámetros encontrados para comprobar que el punto de operación obtenido es prácticamente el deseado. En este subapartado, hemos diseñado y analizado circuitos de polarización que fijan el punto de trabajo del BJT en la región activa directa. Es decir, los circuitos de polarización fijan en los terminales del BJT unos valores de tensión y corriente de continua. Sobre estos valores de continua, superpondremos una señal que oscile en el tiempo y que será la señal que se quiere amplificar. Gracias a los circuitos de polarización, si la amplitud de la señal que queremos superponer es más pequeña que la amplitud de continua, el transistor no cambiará su región de funcionamiento debido a variaciones de la señal. Dire- CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 63 mos entonces que el transistor amplifica en pequeña señal. Este concepto de pequeña señal, junto con el de frecuencia intermedia, se trata en el siguiente subapartado. 2.2. ¿Qué significa pequeña señal y frecuencia intermedia? El objetivo de este subapartado es establecer los conceptos de pequeña señal y de frecuencias intermedias. Los amplificadores que veremos en el subapartado 2.4 sólo son válidos con estos calificativos y debemos tener claro cuándo los podremos aplicar. Ya hemos indicado en el subapartado 2.1 que la amplitud de la señal por amplificar debe ser más pequeña que la tensión de continua que fija el punto de operación del BJT. En caso contrario, podría ocurrir que el BJT cambiara su región de funcionamiento en algún intervalo de tiempo. Sin embargo, éste no es el único problema que aparece: el transistor está definido por ecuaciones no lineales. La no linealidad de las ecuaciones del BJT complican de una manera sustancial el análisis de circuitos basados en él. Lo ideal sería que su comportamiento fuera lineal, puesto que así podríamos utilizar las técnicas lineales que ya conocemos de la teoría de circuitos. Para solucionar este problema, lo que vamos a hacer es restringir aún más la amplitud de la señal de entrada de tal forma que oscile poco en torno al punto de operación. En este caso, el BJT se comportará de una forma prácticamente lineal en torno a su punto de operación, podremos aproximar las ecuaciones no lineales por ecuaciones lineales y simplificar así el proceso de análisis del circuito. . Por lo tanto, diremos que trabajamos en pequeña señal cuando la amplitud de la señal de entrada sea suficientemente pequeña como para suponer que el BJT se comporta de un modo lineal en torno al punto de trabajo elegido. Este hecho será muy importante, ya que si el resto del circuito es lineal en- Ved también tonces podremos calcular su salida mediante el principio de superposición. El principio de superposición afirma que la salida de un circuito lineal ante una entrada que sea una suma de tensiones se puede calcular como la suma de las salidas que ofrecería el circuito para cada una de las tensiones como si estuvieran aplicadas por separado. Así, el análisis del mismo se simplifica notablemente. Por otro lado, el título del apartado también establece que trabajaremos a frecuencias intermedias, pero ¿qué significa frecuencia intermedia? Recor- Para saber más sobre el principio de superposición podéis consultar el anexo de la asignatura. CC-BY-SA • PID_00170129 64 dad que ya en el apartado 1 mencionamos el concepto de baja frecuencia. Decíamos que una señal era de baja frecuencia cuando su longitud de onda era mucho más grande que las dimensiones del circuito. Entonces, podríamos despreciar los fenómenos de transmisión y propagación de ondas a través del mismo. Junto con las señales periódicas de una cierta frecuencia, la baja frecuencia incluía también las señales de continua. Desde un punto de vista matemático, las señales de continua no son señales periódicas y no poseen ni periodo ni frecuencia asociada, por eso se añadían de forma separada a las señales periódicas. Además, sólo teníamos en cuenta la baja frecuencia para evitar que aparecieran fenómenos complejos dentro de los materiales semiconductores. . Por frecuencia intermedia, entendemos la región de baja frecuencia, pero sin contar las señales de continua. El motivo por el que establecemos esta distinción es que las señales de continua definen el punto de trabajo del transistor y su región de operación. Entonces, si la señal de entrada posee componente de continua, podría ocurrir que el punto de operación del transistor fuera cambiando de región y que no estuviera situado siempre en la región de activa directa. Precisamente, esto es lo que queremos evitar con el circuito de polarización y la especificación de los valores de continua y por eso quitamos las señales de continua del conjunto de señales externas. . A modo de conclusión, en todo este apartado vamos a trabajar en frecuencia intermedia y pequeña señal. Como consecuencia, el comportamiento del BJT será lineal. El siguiente paso será, por lo tanto, obtener modelos lineales del BJT en torno al punto de trabajo determinado por el circuito de polarización. Será lo que hagamos en el siguiente subapartado. En este punto, merece la pena recordar que el BJT es realmente un dispositivo complicado y por eso, antes de entender sus aplicaciones como amplificador, tenemos que pasar por todos estos pasos intermedios que son el diseño de redes de polarización y la obtención de modelos lineales. No debemos perder de vista lo que queremos: conocer y analizar circuitos de amplificación. 2.3. Modelos lineales del transistor BJT En este subapartado, vamos a ver dos de los modelos lineales más extendidos del BJT y que son de uso habitual en el análisis de circuitos basados en él. En concreto se trata del: El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 65 • Modelo de parámetros híbridos o parámetros h. • Modelo de parámetros r. El modelo de parámetros híbridos es un modelo general válido para muchos dispositivos electrónicos y su uso está muy extendido en electrónica. El modelo de parámetros r es un modelo particular del BJT, pero que nos da una visión más física del comportamiento del dispositivo y de su papel en los circuitos de amplificación. En los próximos subapartados, establecemos una breve presentación de ambos modelos. Comenzaremos por el modelo de parámetros híbridos y continuaremos con el de parámetros r. 2.3.1. Modelo de parámetros híbridos del BJT En este subapartado, vamos a presentar la descripción de parámetros híbridos de un BJT. La idea básica subyacente es la de encontrar una ecuación que ligue las variables eléctricas entre los terminales, pero que tenga una forma lineal. Para ello, se eligen una serie de variables eléctricas independientes y otras dependientes y se busca una ecuación lineal que las ligue. En el modelo de parámetros híbridos, las variables independientes son vCE e IB mientras que las dependientes son vBE e IC . Fijaos en que, en ambos conjuntos de variables, hay tanto tensiones como corrientes, por eso se llaman parámetros híbridos. La relación lineal entre los parámetros se produce sólo alrededor del punto de trabajo, así que el primer paso es dividir cada variable con la suma de su valor en el punto de trabajo más una variación pequeña en torno a él debido a la señal de entrada. De esta forma, cada variable eléctrica se puede escribir como: vBE (t) = IC (t) = vCE (t) = IB (t) = vBEQ + b vBE (t) (114) vCEQ + b vCE (t) (116) ICQ + bIC (t) (115) IBQ + bIB (t) (117) donde: • vBE (t), IC (t), vCE (t) e IB (t) son las tensiones y corrientes variables en el tiempo que describen el comportamiento del BJT. CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 66 vBEQ , ICQ , vCEQ y IBQ son los valores de las variables en el punto de trabajo del BJT. • b vBE (t), bIC (t), b vCE (t) y bIB (t) son las variaciones de las variables eléctricas del BJT alrededor del punto de trabajo del BJT. En el modelo lineal, tan sólo nos interesa hallar una relación entre las variables con sombrero, ya que las variables del punto de trabajo las determina el circuito de polarización externo al trabajar en la región de frecuencias intermedias y no poseer término de continua la señal de entrada. Por lo tanto, el modelo de parámetros h sólo relaciona las variables con sombrero. . El modelo de parámetros híbridos (o parámetros h) está definido por las ecuaciones 118 y 119, que relacionan las variables alrededor del punto de trabajo: b vBE bIC = = h11bIB + h12b vCE h21bIB + h22b vCE (118) (119) donde h11 , h12 , h21 y h22 son números que definen los parámetros híbridos del BJT para el punto de trabajo seleccionado. Ésta es la representación del BJT mediante sus parámetros híbridos. En nume- Parámetros híbridos rosas ocasiones, también recibe el nombre de representación mediante parámetros h al ser esta letra la utilizada para representarlos. Fijaos en un detalle importante y es que no todos los parámetros h tienen las Los parámetros híbridos son datos proporcionados por el fabricante del dispositivo en las hojas de características, datasheets. mismas dimensiones: Parámetros h • El parámetro h11 tiene dimensiones de resistencia. • El parámetro h22 tiene dimensiones de admitancia, es decir de inverso de resistencia. • Los parámetros h11 y h22 son adimensionales, es decir, no tienen dimensiones. De aquí que los valores grandes o pequeños de estos parámetros tengan diferente significado. A modo de ejemplo, veamos qué significa que los parámetros h11 y h22 tengan valores pequeños: • Que el parámetro h11 tenga un valor pequeño significa que es una resistencia con un valor pequeño y se puede sustituir por un cortocircuito. Los parámetros h también se denotan de la siguiente forma alternativa: h11 = hie h12 = hre h21 = hfe h22 = hoe CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 67 Que el parámetro h22 tenga un valor pequeño significa que su inverso, la resistencia, es muy grande y que se puede sustituir por un circuito abierto. El caso de valores grandes, se resolvería de un modo similar. El modelo de parámetros h es uno de los más extendidos dentro del estudio de los circuitos con dispositivos electrónicos y por lo tanto es importante que conozcáis en qué consiste. En muchos transistores se verifica que h12 ≈ 0; h22 ≈ 0 (120) con lo que, a efectos prácticos, podemos eliminarlas y obtenemos un modelo simplificado dado por: b vBE bIC = = h11bIB (121) h21bIB (122) Las ecuaciones 121 y 122 se pueden representar gráficamente por medio de la figura 31. Figura 31. Modelo simplificado de parámetros h de un BJT IB Figura 31 IC vBE h11 h21IB vCE Aunque el modelo de parámetros h es uno de los más extendidos, no es la única representación lineal del BJT. Otra de las posibles representaciones lineales del BJT está dada por el denominado modelo de parámetros r. La ventaja de los parámetros r frente a los h es que nos ofrecen una descripción más física de por qué es así el modelo del BJT. A continuación, vamos a describir el modelo de parámetros r y dispondremos de dos modelos lineales diferentes del BJT. 2.3.2. Modelo de parámetros r En este subapartado, vamos a presentar el modelo de parámetros r del transistor BJT. Este modelo está representado en la figura 32. Representación esquemática del significado de las ecuaciones simplificadas del modelo de parámetros h. CC-BY-SA • PID_00170129 68 Figura 32. Modelo de parámetros r de un BJT C βIB rB B rE E En ella, observamos tres elementos que definen el modelo: • Una fuente dependiente de corriente que representa el comportamiento de colector dado por la ecuación 43, IC = βIB . • • Una resistencia de base, rB , que representa el comportamiento de la base. Una resistencia de emisor, rE , que representa el comportamiento del emisor. Es importante que notéis cómo están dispuestos los terminales del transistor en la figura 32, ya que cuando sustituyáis el BJT por su modelo deberéis respetar cómo está conectado. Vemos en la figura 32 que el modelo viene descrito por tres parámetros: β, rB y rE . Veamos cuál es el orden de magnitud de estos parámetros y cómo se pueden calcular: • β. Del parámetro beta ya hemos hablado en el subapartado 1.5.1. Este pa- rámetro representa la ganancia de corriente del BJT y, en los ejemplos del apartado 1, vimos que podía tomar valores del orden de las centenas. • rB . Este parámetro es la resistencia de base y captura la resistencia que opone ésta al paso de corriente. En las tecnologías actuales, el valor de rB es del orden de 10 o 100 Ω mientras que IB ≈ 1 µA lo que implica que la caída de potencial en rB es muy pequeña, ya que la ley de Ohm establece que la caída de potencial en una resistencia es el producto del valor de esa resistencia por la corriente que la atraviesa. De esta forma, a efectos prácticos, podemos suponer que rB ≈ 0 y suprimirla del modelo inicial para obtener el modelo simplificado representado en la figura 33. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 69 Figura 33. Modelo simplificado de parámetros r de un BJT Figura 33 C Modelo de parámetros r simplificado en el que se ha eliminado la resistencia de base al caer en ella una tensión muy pequeña con respecto a la tensión vCB . βIB B rE E • rE . Finalmente, la resistencia rE se denomina resistencia dinámica de emisor y es la resistencia que corresponde a un diodo en directa en torno al punto de operación elegido. Esta resistencia captura el efecto de la unión PN que hay entre el emisor y la base. Su valor es: rE = 0,026 IEQ Ved también La resistencia dinámica de emisor se estudia en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones” de esta asignatura. (123) Ved también donde IEQ es el valor de la corriente de emisor en el punto de operación. Ejemplo 8 Calculad el valor de la resistencia dinámica de emisor para un BJT si su corriente de emisor en el punto de operación es IE = 2,5 mA. Solución El valor de la resistencia dinámica de emisor está dado por la ecuación 123: rE = 0,026 0,026 = = 10,4 Ω IEQ 0,0025 (124) Como veis, se trata habitualmente de un valor pequeño y más pequeño que el valor de las resistencias que forman parte del circuito de polarización. Ya tenemos definidos todos los parámetros que definen el modelo r del BJT. Fijaos en cómo cada uno de estos parámetros responde a un hecho físico concreto del BJT: la ganancia en corriente (β), la resistencia de base(rB ) y la unión PN (resistencia rE ). Por este motivo, el modelo de parámetros r es un modelo más intuitivo que el modelo de parámetros h presentado en el subapartado 2.3.1. Podéis consultar el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones” para la explicación de la ecuación 123, en el que os explicamos la aparición del valor 0,026. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 70 . El modelo de parámetros r del BJT está representado en la figura 33, donde: • β es la ganancia en corriente del BJT. • rE es la resistencia dinámica de emisor que se calcula como: rE = 0,026 IEQ (125) donde IEQ es el valor de la corriente de emisor en el punto de trabajo Q. Ahora que ya conocéis diferentes modelos lineales del BJT, estamos en disposición de presentar y analizar diferentes topologías utilizadas en aplicaciones de amplificación basadas en BJT. En primer lugar, vamos a presentar el procedimiento general de análisis y luego veremos ejemplos concretos de circuitos amplificadores. Veamos en primer lugar cuál es el método general de análisis. 2.4. Análisis de un circuito amplificador lineal En este subapartado, vamos a utilizar los modelos lineales desarrollados en el subapartado 2.3 para analizar los circuitos de amplificación. A lo largo de su extensión, supondremos que el BJT opera en un cierto punto de operación en la región de activa directa conseguido gracias a un circuito de polarización adecuado. En el subapartado 2.1.2 ya vimos cómo calcular el punto de operación del BJT y establecer los valores de continua de las tensiones y corrientes. Ahora, estaremos interesados únicamente en ver cómo se comporta el transistor ante señales de entrada de frecuencia intermedia. Frecuencia intermedia Recordad que entendemos por frecuencia intermedia el rango de bajas frecuencias al que se le ha excluido las componentes de continua. Fijaos en que lo que estamos haciendo es, en definitiva, el análisis de continua de la polarización, por un lado, como hicimos en el subapartado 2.1 y ahora, por el otro lado, el análisis de frecuencia intermedia de la señal de entrada. Como el circuito es lineal, podremos calcular la salida total ante una entrada mediante el principio de superposición: mediante la suma de las salidas que hayamos obtenido para cada uno de los análisis. Ahora nos centraremos en el análisis de alterna. El procedimiento de análisis para señales de alterna se puede dividir en los siguientes pasos: 1) Sustituir las fuentes de tensión continua por cortocircuitos y las fuentes de corriente continua por circuitos abiertos, puesto que sólo estamos interesados en las señales de alterna. Análisis de frecuencia intermedia El análisis de frecuencia intermedia también recibe el nombre de análisis en alterna. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 71 2) Identificar la configuración en la que está trabajando el BJT. La configuración del BJT puede ser emisor, base o colector común. 3) Sustituir el BJT por su modelo lineal equivalente. Para ello, se deberán identificar claramente los terminales del transistor y se comprobará que el modelo lineal tiene situados los mismos terminales en el mismo sitio que el BJT inicial. El resultado es un circuito lineal equivalente. 4) Por último, resolver el circuito lineal utilizando cualquier método de análisis de circuitos lineales. Ahora que ya conocéis el procedimiento que seguiremos, vamos a aplicarlo a algunas configuraciones típicas de circuitos de amplificación basados en BJT. A pesar de ser ejemplos concretos, son topologías típicas que es importante que conozcáis y además nos servirá de banco de pruebas para mostraros cómo llevar a cabo el análisis del circuito. En concreto, veremos cómo son las topologías de amplificación para las tres configuraciones del BJT. Comenzaremos con una topología de amplificación en emisor común y proseguiremos con las de base y colector común. En todo caso, recordad que la salida total será la suma de la componente continua de polarización más la señal de alterna obtenida de este análisis. 2.4.1. Configuración del emisor común En primer lugar, presentamos la topología de amplificación en emisor común representada en la figura 34. Figura 34. Amplificador en emisor común Figura 34 Topología básica de un circuito amplificador en emisor común. + VCC – R1 RC Salida C CB vo (t) B E vi (t) R2 RE Entrada Polarización por división de tensión CE CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 72 En la figura 34, podéis ver la estructura del amplificador. Podemos distinguir en ella varias partes: • Un circuito de polarización por división de tensión como el que ya vimos en el subapartado 2.1.2. • Dos condensadores, CE y CB . • La señal de entrada, vi (t), y la de salida, vo (t), que es la tensión en el terminal de colector. Ahora podemos empezar con el análisis del circuito mediante la metodología introducida en el subapartado 2.4: Señales de entrada y de salida Los subíndices i y o en las señales de entrada y de salida hacen referencia a input (entrada) y output (salida) respectivamente. 1) En primer lugar, deberíamos resolver el punto de trabajo del BJT a través del análisis del circuito en continua. Para ello, lo que hacemos es convertir todos los condensadores en circuitos abiertos. Si volvemos a la figura 34 y convertimos todos los condensadores en circuitos abiertos, obtenemos un circuito que es exactamente el circuito de polarización por división de tensión presentado en el subapartado 2.1.2. Entonces, mediante los métodos presentados en ese subapartado podemos calcular el punto de trabajo del BJT, como hicimos en los ejemplos 5 y 6. En este punto, podemos interpretar la topología del amplificador en emisor común representada en la figura 34 de la siguiente forma: Condensadores Recordad que la impedancia de un condensador es Z= 1 j ωC y, por lo tanto, cuando ω → 0 (que es el caso de continua) se vuelve muy grande y el condensador se comporta como un circuito abierto. a) Vemos que la topología del amplificador es coger un circuito de polarización por división de tensión, acoplarle una señal de entrada y tomar como salida la tensión en el colector. b) Para acoplar la señal de entrada se interpone un condensador, CB . Este condensador aísla la componente de continua de la entrada del resto del circuito y permite que el punto de trabajo del BJT esté fijado únicamente por el circuito de polarización, al margen de los valores de la señal de entrada. Como resultado de ejecutar el análisis en continua, conoceríamos el punto de trabajo del transistor. 2) El siguiente paso es iniciar el análisis en alterna del circuito a través de los pasos del subapartado 2.4: a) Los condensadores se ponen en cortocircuito y las fuentes de continua, a cero (las fuentes de voltaje se convierten en cortocircuitos y las de corriente, en circuitos abiertos). El resultado es la gráfica de la figura 35. En la figura 35, podéis observar que, al haber eliminado las fuentes de continua y cortocircuitado de los condensadores, ha desaparecido la resistencia RE . Esto es así porque el condensador CE de la figura 34 ha cortocircuitado el terminal de emisor y la tierra. Condensadores en cortocircuito Para que los condensadores se puedan sustituir por cortocircuitos es necesario que tengan un valor de capacidad suficientemente grande. Entonces, su impedancia a la frecuencia de trabajo de la señal sería muy pequeña y serían muy parecidos a cortocircuitos. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 73 Figura 35. Amplificador en emisor común. Análisis en alterna Salida C Figura 35 Circuito que representa en análisis en alterna del amplificador en emisor común. Los condensadores se han sustituido por cortocircuitos y las fuentes de tensión continua han desaparecido. vo (t) B E vi (t) R1 RC R2 Entrada b) Identificamos la configuración en la que trabaja el BJT: emisor común. La forma de determinar la configuración en la que trabaja el transistor consiste en mirar el circuito de alterna que se pretende analizar y que está representado en la figura 35. Entonces, vemos que hay un terminal, que es el emisor, que está conectado a masa y éste se comparte entre la entrada y la salida. También vemos que la salida se toma en el terminal de colector. Por lo tanto, encaja con la representación de la figura 9 en la que el terminal de emisor se compartía entre los circuitos de entrada y de salida y la salida se tomaba en el colector. Entonces, estamos ante una configuración de emisor común. c) Sustituimos el BJT por un modelo lineal. En este caso, utilizaremos a modo de ejemplo el modelo de parámetros r representado en la figura 33. Para ello, eliminamos el BJT del circuito original y ponemos en su lugar el modelo lineal como muestra la figura 36. Figura 36. Proceso de sustitución del BJT por su modelo lineal Engancha Parámetros r C C βIB B rE RC vi (t) Entrada E R1 R2 E Engancha Salida vo (t) Engancha B Figura 36 Proceso por el que el modelo lineal del BJT de parámetros r sustituye al BJT en el circuito de amplificación. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 74 En la figura 36, podéis ver cómo hemos quitado el BJT y colocado el modelo lineal de tal forma que se respetan los terminales de enganche entre el modelo y los originales del BJT. Es importante que tengáis mucho cuidado en este punto, ya que de esto depende ejecutar el análisis del circuito correctamente. Para ello, podemos fijarnos en el terminal común y así no confundirnos al introducir el modelo. El resultado del enganche aparece en la figura 37. Figura 37. Sustitución del BJT por su modelo lineal Figura 37 Salida Parámetros r B C Resultado de sustituir el BJT por su modelo lineal de parámetros r. El resultado es un circuito lineal que puede ser analizado mediante cualquier técnica de teoría de circuitos. vo (t) βIB IB rE RC E vi (t) R1 IC R2 IE Entrada d) Ya tenemos el circuito lineal y tan sólo queda analizarlo a través de las técnicas conocidas de análisis de circuitos lineales. El último punto del análisis del circuito lo haremos a continuación de forma separada para cada una de las variables que nos va a interesar conocer en un amplificador: la ganancia en voltaje, la resistencia de entrada y la resistencia de salida. Comenzaremos por la ganancia en voltaje. Ganancia en voltaje En primer lugar, calcularemos la ganancia en voltaje del amplificador. Éste es uno de los parámetros que más nos van a interesar del circuito. La ganancia en voltaje del amplificador está definida como el cociente de la tensión de salida entre la de entrada, es decir: Av = vo vi (126) Podremos calcular cuánto vale esa ganancia si calculemos ambas tensiones y hacemos su división. Sigamos este proceso, calculemos vo y después vi : CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 75 1) El voltaje vo es la caída de potencial en la resistencia RC como se puede ver en la figura 37. Con el sentido dibujado para la intensidad IC , la caída de potencial en la resistencia RC se puede calcular a través de la ley de Ohm como: vo = –IC RC (127) donde el signo menos hace referencia a que la corriente IC circula del potencial menor al mayor, en lugar del mayor al menor. No obstante, la corriente IC es la misma que circula por la fuente de corriente de la figura 37 y por lo tanto se tiene que IC = βIB (128) Si ahora sustituimos la ecuación 128 en 127 podemos calcular la tensión de salida como: vo = –βIB RC (129) 2) Ahora calcularemos la tensión de entrada vi . Podéis observar de la figura 37 que el potencial vi se corresponde con la caída de potencial en cualquiera de las resistencias R1 , R2 o rE , ya que se encuentran todas ellas en paralelo. En particular, lo más sencillo es calcular vi como la caída de potencial en rE . La caída de potencial en rE se puede calcular mediante la ley de Ohm y da: vi = IE rE (130) donde la corriente de emisor se puede calcular mediante la ley de Kirchhoff de corrientes como la suma de las corrientes que entran al terminal de emisor: IE = IB + βIB = (1 + β)IB (131) Por lo tanto, la tensión de entrada queda: vi = (1 + β)IB rE (132) Finalmente, para obtener la ganancia en voltaje, sólo tenemos que dividir la ecuación 129 entre la 132: Av = βRC vo –βIB RC = =– vi (1 + β)IB rE (1 + β)rE (133) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 76 que es la ganancia en voltaje del amplificador en emisor común presentado en la figura 34. Por lo tanto, con el transistor hemos conseguido realizar un amplificador en voltaje y respondemos a la primera de las preguntas formuladas al comienzo de este apartado. Por otro lado, vemos que aparece un signo menos en la ecuación 133. Entonces, la señal de salida tiene el signo opuesto que la señal de entrada; se trata de un amplificador inversor, ya que cambia la polaridad de la señal. La ecuación 133 todavía se puede simplificar un poco más si tenemos en cuenta que, como se ha mencionado en el subapartado 1.5.1: β >> 1 (134) (1 + β) ≃ β (135) y, por lo tanto, Si sustituimos la aproximación 135 en la ecuación 133, obtenemos la expresión simplificada de la ganancia en voltaje. . La ganancia en voltaje del amplificador en emisor común está dada por: Av = – βRC βR R ≃– C =– C β rE rE (1 + β)rE (136) Veamos en un ejemplo cómo calcular la ganancia. Ejemplo 9 Calculad la ganancia en voltaje del circuito de la figura 34 con los siguientes valores de los parámetros: • • • • R1 = 22 kΩ, R2 = 11 kΩ RE = 1 kΩ, RC = 1,2 kΩ VCC = 9 V β = 120 y vBE = 0,7 V Solución La ganancia en voltaje del circuito de la figura 34 viene dada por la ecuación 136. Para poder calcular esa ganancia, es necesario conocer la resistencia RC y la resistencia dinámica del emisor rE . La resistencia RC la conocemos, puesto que es un dato del ejercicio, pero la resistencia rE no y debemos calcularla. El valor de rE se puede calcular por medio de la ecuación 123: rE = 0,026 IEQ (137) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 77 Vemos que, para emplear la ecuación 137, necesitamos conocer la corriente de emisor del punto de trabajo. Entonces, ahora deberíamos calcular el punto de trabajo del transistor para conocer esa corriente, ya que es prácticamente igual a la corriente de colector. Por suerte, no es necesario que hagamos esto ahora, ya que lo hicimos en el ejemplo 5 puesto que utilizamos los mismos datos que en él. El punto de trabajo viene dado por Q = (vCE = 4,2 V,IC = 2,17 mA). Entonces, la resistencia dinámica de emisor es: rE = 0,026 0,026 = = 11,98 Ω IEQ 0,00217 (138) Por lo tanto, la ganancia en voltaje es: Av = – 1.200 = –106,17 11,98 (139) y ya tenemos calculada la ganancia en tensión. De este ejemplo, podemos extraer dos aspectos importantes que son generales: • La resistencia dinámica de emisor tiene habitualmente un valor del orden de las decenas de ohmios. • La ganancia habitual del circuito presentado suele ser del orden de la centena. Sin embargo, no es únicamente la ganancia del amplificador el parámetro que nos interesa del circuito. También nos interesarán sus resistencias de entrada y de salida, ya que eso proporciona una idea de cómo actúa el circuito al acoplarlo a otro circuito externo. Calculemos cuánto vale la resistencia de entrada y de salida del circuito. Resistencia de entrada del amplificador en emisor común En este subapartado, vamos a calcular la resistencia de entrada del circuito. La resistencia de entrada, Ri , se puede calcular a partir del circuito de la figura 37, que repetimos aquí por comodidad y que representa el concepto de resistencia de entrada que queremos calcular ahora. La resistencia de entrada se define como: Ri = vi ii (140) donde vi es el voltaje de entrada e ii es la corriente de entrada al circuito, tal como se muestra en la figura 38. Para el cálculo de esta corriente y voltaje de entrada, la salida debe estar en circuito abierto. Como no hemos conectado nada a la salida del circuito, no debemos hacer ningún cambio más. Corrientes de colector y emisor Recordad que se considera que las corrientes de colector y emisor son prácticamente iguales, es decir, IE ≈ IC . Por lo tanto, donde aparece la corriente de emisor, IE , podemos utilizar la corriente de colector, IC . CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 78 Figura 38. Circuito para el cálculo de la resistencia de entrada C Ri ii βIB IB B vo (t) Circuito simplificado utilizado en el cálculo de la resistencia de entrada para el amplificador en emisor común. La salida debe estar en circuito abierto, que en este caso se cumple al no haber ninguna carga conectada a vo . rE RC E vi (t) R1 IC R2 Figura 38 IE Sin embargo, para hacer más sencillo el cálculo de la resistencia de entrada, ejecutaremos un paso intermedio, que es el cálculo de la resistencia R′i indicada en la figura 39. Figura 39. Representación de la resistencia intermedia R′i Figura 39 C vo (t) ‘ Ri βIB IB B Circuito auxiliar para que sea más sencillo el cálculo de la resistencia de entrada del amplificador en emisor común. ‘ rE ii RC E vi (t) R1 IC R2 IE Si conocemos R′i , la resistencia de entrada se calculará entonces como la asociación en paralelo de R1 , R2 y R′i , tal como podéis ver de la figura 40. Figura 40. Representación de la resistencia intermedia R′i Figura 40 Circuito final para el cálculo de la resistencia de entrada. Ahora aparece una resistencia intermedia, R′i , que facilita el cálculo de la resistencia de entrada. Ri R1 R2 ‘ vi (t) Ri CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 79 La razón de introducir este cambio es que facilita el cálculo, ya que podemos calcular R′i al conocer el valor de las corrientes y voltajes que entran a esa parte del circuito. De hecho, la resistencia R′i se define como: R′i = vi′ i′i (141) Pero ahora tenemos i′i = IB , como vemos en la figura 39. Por otro lado, el voltaje vi′ se puede calcular como la caída de potencial en la resistencia rE y que viene dada por la ecuación 132: vi′ = (1 + β)IB rE (142) Ahora podemos calcular el valor de R′i : R′i = vi′ (1 + β)IB rE = = (1 + β)rE ≃ βrE i′i IB (143) donde hemos usado que β >> 1. Por lo tanto, la resistencia de entrada se calcula como la asociación en paralelo: Ri = R1 //R2 //R′i = R1 //R2 //βrE (144) que proporciona un valor de la resistencia de entrada que se calcula a través de: 1 1 1 1 = + + Ri R1 R2 βrE (145) . Por lo tanto, la resistencia de entrada Ri del amplificador en emisor común es: Ri = βR2 rE + βR1 rE + R1 R2 βR1 R2 rE (146) Ejemplo 10 Calculad el valor de la resistencia de entrada del circuito amplificador de la figura 34 con los datos del ejemplo 9. Asociación en paralelo En numerosas ocasiones se utiliza el símbolo // para indicar la asociación en paralelo de resistencias. De esta forma, R1 //R2 significa que ambas resistencias están en paralelo. Este símbolo se utiliza especialmente cuando hay varias resistencias en paralelo, lo que haría que obtener una expresión para la resistencia total diera lugar a una expresión matemática farragosa. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 80 Solución En primer lugar, calculamos el valor de R′i mediante la ecuación 143: R′i ≃ βrE = 120 · 11,3 = 1.356 Ω (147) Ahora hacemos la asociación en paralelo de R1 , R2 y R′i y obtenemos: Ri = 1.144 Ω (148) que es el valor que estamos buscando. En el diseño de circuitos electrónicos, interesa disponer de circuitos con una resistencia de entrada muy alta. De esta forma, al acoplar el circuito a otros sistemas cargará muy poco a éstos y no alterará los valores de tensiones y corrientes que poseen los circuitos originales. Por este motivo, interesa calcular el valor de la resistencia de entrada y disponer de amplificadores con una resistencia de entrada muy alta. Finalmente, calculemos la resistencia de salida. Resistencia de salida del amplificador en emisor común En este subapartado, vamos a calcular el último parámetro que nos interesa del amplificador: su resistencia de salida. El valor de la resistencia de salida se define como: Ro = vo io (149) donde vo es la tensión de salida e io es la corriente de salida del amplificador como muestra la figura 41 si ponemos la entrada en circuito abierto. Figura 41. Representación de la resistencia de salida Figura 41 Ro C B vo (t) io βIB IB rE RC E R1 IC R2 IE Circuito utilizado en el cálculo de la resistencia de salida. En este caso, la entrada se deja en circuito abierto. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 81 La resistencia de salida es más fácil de calcular que la de entrada, ya que el voltaje a la salida es el que cae en la resistencia de colector y la corriente que entra es exactamente la corriente βIB . . Entonces, la resistencia de salida del amplificador en emisor común es: Ro = vo βIB RC = RC = io βIB (150) Vemos que la resistencia de salida es exactamente la resistencia de colector. Ejemplo 11 Calculad la resistencia de salida del circuito del ejemplo 9. Solución La resistencia de salida es la resistencia de colector que toma el valor siguiente: Ro = RC = 1,2 kΩ (151) Con este parámetro, ya tenemos todos los que queríamos estudiar y tenemos analizado el circuito amplificador en emisor común. Sin embargo, como hemos mencionado al comienzo de este apartado, el amplificador no es un circuito aislado. Sino que forma parte de un circuito más grande. En el siguiente subapartado, vamos a ver cómo podemos incluir este circuito en un circuito externo para así dar lugar a aplicaciones electrónicas más complejas. Integración del amplificador en un circuito externo En este subapartado, vamos a ver cómo incluir el amplificador en un circuito externo. La forma de hacerlo es como muestra la figura 42. En la figura 42, podéis ver que tenemos el mismo circuito de amplificación que hemos venido considerando, circuitos externos de entrada y de salida y entre el amplificador y cada circuito externo dos condensadores, CB , que reciben el nombre de condensadores de desacoplo. . La función de los condensadores de desacoplo es que las señales de continua provenientes de los circuitos externos no alteren el punto de operación del BJT. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 82 Figura 42. Amplificador en conexión con el resto del circuito Figura 42 + VCC – R1 RC C CB CB Circuito de salida B Circuito de entrada E R2 RE CE Polarización por división de tensión De ahí el nombre de estos condensadores, porque desacoplan las componentes de continua del BJT y del resto del circuito: • A la entrada, porque la señal que se quiere amplificar puede contener un término de continua. • A la salida, porque la tensión de colector posee dos componentes: una tensión variable asociada a la tensión variable de entrada y una componente continua asociada al punto de operación del BJT. El condensador impide el paso de esta componente continua y deja pasar tan sólo la señal de alterna amplificada. En general, la ganancia del amplificador cambiará al incluirlo en un circuito más grande debido a que el resto del circuito influirá en las variables eléctricas del amplificador y la ganancia no será la que hemos calculado hasta ahora. Para que esto no ocurra, sería conveniente que el amplificador tuviera una resistencia de entrada grande y una resistencia de salida muy baja. De esta forma, el amplificador se comportaría como un circuito abierto al acoplarlo a otro circuito y, por lo tanto, no lo cargaría. De la misma forma, se comportaría como un circuito cerrado frente a un circuito que se acoplara a él y no perturbaría las variables eléctricas de la carga. Como hemos visto en los ejemplos 10 y 11, ése no es el caso del amplificador en emisor común. De aquí que tengamos que seguir investigando otras posibles topologías de circuitos para averiguar si alguna cumple con estos requisitos. Manera como el circuito de amplificación en emisor común se podría conectar a un circuito más grande. Para ello, se disponen dos condensadores de desacoplo, uno en la entrada y otro en la salida del mismo. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 83 Continuaremos presentando las topologías de amplificación en base y en colector común y calcularemos los parámetros que las caracterizan. Empecemos con la topología de base común. 2.4.2. Configuración de base común En este subapartado, introduciremos la topología de amplificador en base común que toma la forma representada en la figura 43. Figura 43. Amplificador en base común Figura 43 VCC Circuito amplificador en base común. + – R1 CB vi (t) RC C E vo (t) B RE CB R2 Notad dos características importantes de esta configuración: • El BJT está en configuración de base común, ya que la base es el terminal que se comparte entre los circuitos de entrada y de salida en alterna cuando sustituimos los condensadores por cortocircuitos. • Sin embargo, la polarización es de emisor por división de tensión. Para comprobar que la polarización es de tipo división de tensión, podemos comenzar con el análisis del circuito en continua. Para ello, sustituimos los condensadores por circuitos abiertos. Entonces obtenemos el esquema de la figura 44. Si en la figura 44 sustituimos el condensador por un circuito abierto, comprobaréis que es exactamente la polarización por división de tensión que vimos en el subapartado 2.1.2. Por lo tanto, el procedimiento de análisis de continua es el mismo que vimos en ese subapartado. De esta forma, ya conocemos el comportamiento en continua del circuito. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 84 Figura 44. Análisis en continua del amplificador en base común Figura 44 VCC + – Análisis en continua del amplificador en base común. Se observa que la polarización se corresponde con una de división de tensión. R1 RC vo (t) C B E Cb R2 RE También podemos deducir del análisis de continua el papel de los condensadores CB . De la misma forma que para el amplificador en emisor común, actúan desacoplando la componente continua de la fuente del circuito de polarización. De este modo, en el circuito de la figura 44 no aparece la entrada vi debido a que los condensadores se han convertido en circuitos abiertos. En consecuencia, la entrada no cambia el punto de polarización del BJT conseguido gracias al circuito de polarización. Además, en la figura 44, podéis ver que, cuando sustituimos el condensador por un cortocircuito, es decir, realizamos el análisis en alterna, la fuente de tensión Vcc se debe poner entonces a cero y las resistencias R1 y R2 aparecen conectadas a masa. Como consecuencia, en alterna desaparecen y no tienen ningún papel. Ahora que hemos visto cómo queda el circuito en continua, seguimos con al análisis en alterna. Para ello, seguimos una vez más el procedimiento expuesto en el subapartado 2.4: 1) Ponemos los condensadores en cortocircuito y anulamos las fuentes de tensión de continua. El resultado es el circuito de la figura 45. Figura 45. Análisis en alterna del amplificador en base común C E vi (t) vo (t) B RE RC Figura 45 Circuito simplificado para el análisis en alterna del amplificador en base común. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 85 Vemos que convertir los condensadores en cortocircuitos ha hecho que desaparezcan las resistencias R1 y R2 . En este sentido, ocurre lo mismo que para el amplificador en emisor común: desaparece la resistencia que está conectada al terminal que hace de terminal común. Aquí es la resistencia conectada a la base y en el subapartado 2.4.1 era la resistencia de emisor, RE . Ahora que ya tenemos el circuito preparado, podemos pasar al siguiente paso. 2) Identificamos el terminal que actúa como común; en este caso es la base, Condensadores en alterna Recordad que consideramos que los condensadores son suficientemente grandes como para que se comporten como cortocircuitos en alterna (es decir, a frecuencias intermedias). ya que es el terminal conectado a masa que es común a todo el circuito y la salida se toma en el colector. 3) Sustituimos el BJT por su modelo de pequeña señal, que será a modo de ejemplo el modelo de parámetros r de la figura 32. En este paso, tendremos que tener cuidado de conectar los terminales en la posición correcta. El resultado está mostrado en la figura 46. Figura 46. Modelo lineal del amplificador en base común E vi (t) βIB rE Circuito lineal de amplificador en base común. El BJT se ha sustituido por su modelo de parámetros r. vo (t) IC IE RE C Figura 46 IB B R1 RC Parámetros r 4) Ahora que ya tenemos el circuito lineal, podemos aplicar cualquier técnica de análisis de circuitos lineales para conocer el funcionamiento del circuito. Como hemos hecho antes, calcularemos los tres parámetros que nos interesan: ganancia de voltaje, resistencia de entrada y resistencia de salida de forma separada. Comenzamos con la ganancia en voltaje. Ganancia en voltaje de un amplificador en base común En este subapartado, vamos a calcular la ganancia en voltaje del amplificador en base común presentado en la figura 46. La ganancia en voltaje se define como: Av = vo vi (152) donde vi es el voltaje de entrada y vo es el voltaje de salida, que es el terminal de colector. Así pues, tenemos que calcular ambos voltajes y luego hacer su división: CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 86 Comenzamos calculando el voltaje vi . En la figura 46, podéis ver que el voltaje vi es exactamente la caída de potencial en la resistencia rE , ya que la fuente y las resistencias RE y rE están en paralelo. Podríamos haber tomado la resistencia RE , pero no lo hemos hecho porque el cálculo de la caída de potencial en rE es más sencillo. Entonces, la caída de potencial en rE se puede calcular a partir de la ley de Ohm: vi = IE rE (153) Ahora bien, de la ley de Kirchhoff de corrientes sabemos que: IE = IB + βIB = (1 + β)IB (154) Por lo tanto, el potencial de entrada es: vi = IE rE = (1 + β)IB rE • (155) Ahora calculamos el potencial de salida vo . El potencial de salida es la caída de potencial en la resistencia RC . La ley de Ohm nos permite escribir: vo = IC RC (156) Si ahora tenemos en cuenta que IC = βIB , entonces: vo = βIB RC (157) y ya tenemos calculados ambos voltajes. Finalmente, lo único que nos quedará por hacer para conocer la ganancia es realizar la división de la ecuación 157 entre la 155. . La ganancia del amplificador en base común es: Av = vo βIB RC βRC = = vi (1 + β)IB rE (1 + β)rE (158) Si ahora utilizamos que β >> 1 como explicamos en el subapartado 1.5.1, entonces: β ≃1 1+β (159) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 87 y podremos obtener la versión simplificada de la ganancia: Av = RC rE (160) Vemos que, en este caso, queda con signo positivo, es decir el amplificador no invierte la polaridad de la señal de entrada, al contrario de lo que hacía el amplificador en emisor común en la ecuación 136. Calculemos ahora las resistencias de entrada y salida. Resistencia de entrada del amplificador en base común En este subapartado, vamos a calcular la resistencia de entrada del amplificador en base común. No vamos a realizar el proceso con todo detalle, ya que hemos de seguir unos pasos completamente análogos a los seguidos en el subapartado 2.4.1 en el cálculo de la resistencia de entrada del amplificador en emisor común. Nos limitaremos a indicar su valor y realizar un pequeño comentario sobre su orden de magnitud. La resistencia de entrada del amplificador en base común está dada por: Rin = RE //re = RE re RE + re (161) De la ecuación 161 se puede deducir que como re << RE (162) debido a que la resistencia dinámica de emisor toma valores bajos como vimos en el subapartado 2.3.2, entonces el valor de la resistencia de entrada será del orden de re : Rin ≃ re (163) y, por lo tanto, pequeña. El amplificador en base común es un amplificador con una resistencia de entrada pequeña. A modo de conclusión: . La resistencia de entrada del amplificador en base común está dada por: Rin = RE //re = RE re ≃ re RE + re Veamos qué ocurre con la resistencia de salida. (164) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 88 Resistencia de salida del amplificador en base común De la misma forma que hemos hecho en el subapartado anterior para el cálculo de la resistencia de entrada, no vamos a realizar su cálculo detallado, sino que indicaremos su valor y daremos una idea de su orden de magnitud. . La resistencia de salida del amplificador en base común es: Ro = RC (165) Como veis, la resistencia de salida es la resistencia de colector, que suele ser habitualmente del orden de unos kiloohmnios. A modo de conclusión, vemos que el transistor en base común presenta una gran amplificación en voltaje pero que tiene unas resistencias de entrada y de salida que se alejan bastante del comportamiento ideal. Finalmente, analicemos la configuración del transistor que falta, que es la de colector común. Resistencias de entrada y de salida Recordad que el comportamiento ideal se corresponde a que la resistencia de entrada sea muy grande y la de salida muy pequeña. 2.4.3. Configuración de colector común En este subapartado, vamos a analizar el amplificador cuando la configuración del transistor es la de colector común. La topología del circuito está representada en la figura 47. Figura 47. Amplificador en colector común Figura 47 Circuito amplificador en colector común, también conocido con el nombre de seguidor de tensión. + VCC – R1 CB vi (t) C Salida E vo (t) B R2 RE Entrada Polarización por división de tensión CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 89 Como veis, ahora no se ha utilizado una resistencia de colector y la salida del circuito se ha tomado en el emisor. Cuando cortocircuitemos las fuentes de voltaje para ejecutar el análisis en alterna, lo que ocurrirá es que el colector estará conectado directamente a masa, que está compartida por los circuitos de entrada y de salida, lo que pone de manifiesto que estamos ante una configuración de amplificación de colector común. No obstante, la polarización vuelve a ser de emisor puesto que, cuando sustituyamos los condensadores por circuitos abiertos al realizar el análisis de continua, estaremos ante la misma configuración que la presentada en el subapartado 2.1.2 para la polarización de emisor, salvo porque ahora no hay resistencia de colector. El proceso de análisis del circuito sigue los mismos pasos que hemos dado en los subapartados 2.4.1 y 2.4.2. En primer lugar, analizamos la componente de continua y diseñamos la red de polarización adecuada. A continuación, analizamos el circuito en alterna; para ello, obtenemos el circuito lineal equivalente mediante el modelo de parámetros r presentado en el subapartado 2.3.2 y mostrado en la figura 32. El resultado está representado en la figura 48. Figura 48. Circuito lineal equivalente del amplificador en colector común Figura 48 Circuito lineal equivalente utilizado para realizar el análisis en alterna del amplificador en colector común. R1 C Parámetros r βIB B IB Salida re E vi (t) R2 vo (t) RE Entrada Para este circuito, podemos calcular su ganancia en voltaje y sus resistencias de entrada y de salida. En este caso, indicaremos sus expresiones sin deducirlas, ya que empleamos las mismas técnicas que ya hemos utilizado en el subapartado 2.4.1 para el amplificador en emisor común. Ganancia en voltaje del amplificador en colector común La ganancia en voltaje del amplificador en colector común es la siguiente: Av = vo RE //Rl = vi (RE //Rl ) + re (166) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 90 Donde recordemos que los símbolos // hacen referencia a la asociación en paralelo de esas resistencias. Se ha preferido dejar el valor de la ganancia indicado de esa forma, dado que la resolución de las asociaciones en paralelo daría lugar a una expresión matemática complicada que no aportaría nada que no haga la ecuación 166. Como ya indicamos en el subapartado 2.3.2, el valor de la resistencia dinámica re es pequeño y, en consecuencia, más pequeño que la asociación en paralelo de RE y Rl , es decir, re << RE //Rl (167) . Con lo que la ganancia en voltaje del amplificador en colector común es la siguiente: Av = RE //Rl ≃1 (RE //Rl ) + re (168) Es decir, la configuración en colector común no amplifica la señal de voltaje. Veamos qué ocurre con las resistencias de entrada y de salida. Resistencia de entrada del amplificador en colector común . La resistencia de entrada de un amplificador en colector común está dada aproximadamente por: Rin = (1 + β)(re + RE ) ≃ (1 + β)RE (169) Este valor se corresponderá con una resistencia de entrada muy alta. Por ejemplo, si β = 150 y RE = 2,2 kΩ entonces la resistencia de entrada es de 330 kΩ, que es un valor elevado. Por lo tanto, nos va a interesar, ya que en una resistencia de entrada muy alta implicará que este circuito es una carga pequeña para el circuito al que se conecte. Veamos qué ocurre con la resistencia de salida. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 91 Resistencia de salida del amplificador en colector común . Símbolos // La resistencia de salida del amplificador en colector común toma el valor siguiente: Ro = RE //( R1 //R2 + re ) β (170) Este valor se corresponde con una resistencia de salida muy pequeña que se acerca al valor ideal de la resistencia de salida deseada para un circuito eléctrico que sería cero. El funcionamiento de un circuito que se conecte a su salida estará muy poco influido por el amplificador en colector común. En conclusión, tenemos un circuito con una ganancia en tensión prácticamente de uno y buenos valores de impedancias de entrada y de salida. Se trata de un circuito adecuado para actuar de separador entre dos circuitos de tal forma que no haya cargas entre ellos y, por lo tanto, actúa de adaptador de impedancias. Debido a estas propiedades tan buenas, esta configuración de colector común recibe el nombre de seguidor de tensión o buffer. 2.4.4. Resumen de los tipos de amplificadores Una vez conocidas las configuraciones básicas de amplificación, podemos llegar a las siguientes conclusiones: • Se pueden construir circuitos de amplificación de tensión basados en BJT. • Las configuraciones de emisor y de base común causan amplificación, pero la de colector común no. De hecho, podríamos reunir las principales características de los amplificadores que hemos visto en la tabla 3. Tabla 3. Resumen de las características de los amplificadores Emisor común Base común Colector común Ganancia Resistencia de entrada Resistencia de salida moderada grande grande grande pequeña grande 1 grande pequeña En la tabla 3, hemos recogido las propiedades cualitativas de los tres tipos de amplificadores. El amplificador ideal sería un amplificador de una ganancia grande, una resistencia de entrada grande y una resistencia de salida pequeña. Como veis en la tabla 3, no hay ninguno que cumpla con todas estas características. ¿Qué podemos hacer entonces? Recordad que los símbolos // indican la asociación en paralelo de resistencias. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 92 Una posible solución consistiría en acoplar varios de estos amplificadores entre sí, uno a continuación del otro, lo que daría lugar a un amplificador multietapa. De hecho, esto es una práctica habitual en el diseño de amplificadores y se ha hecho tan popular que los amplificadores multietapa se venden como componentes individuales en un encapsulado especial. Los amplificadores multietapa que son de alta ganancia, resistencia de entrada grande y resistencia de salida pequeña y que se venden como un único componente reciben el nombre de amplificadores operacionales. Con esto hemos llegado al final del estudio de las aplicaciones del BJT al diseño de circuitos de amplificación. 2.5. Recapitulación ¿Qué hemos aprendido? En este apartado: • Habéis conocido el método de análisis de un circuito de polarización. • Habéis aprendido a diseñar circuitos de polarización. • Habéis conocido modelos lineales del BJT en la región activa directa. • Habéis utilizado estos modelos para el análisis de circuitos de amplificación basados en BJT en la configuración de: – emisor común, – base común, – colector común. De esta forma, ya tenéis conocimientos básicos del transistor BJT y su uso en circuitos de amplificación. En nuestro camino en el conocimiento de los transistores, el siguiente paso es el transistor de efecto de campo. Ved también Los amplificadores operacionales se estudian en el módulo “El amplificador operacional” de esta asignatura. CC-BY-SA • PID_00170129 93 3. El transistor de efecto de campo . En este último apartado, vamos a estudiar un tipo diferente de transistor que se denomina transistor de efecto de campo o FET por su siglas en inglés Field Effect Transistor. Básicamente, su cometido es el mismo que el BJT, controlar la corriente que hay entre dos terminales utilizando un tercero para ello. La diferencia estriba en cómo se consigue este efecto de una forma tecnológica. En concreto, se logra mediante la acción de un campo eléctrico, de ahí su nombre. De esta forma, se trata de un elemento de tres terminales tal y como era el transistor bipolar de los apartados 1 y 2. Dado que el cometido del dispositivo es el mismo que el del BJT, se podrá usar con los mismos objetivos que éste dentro de un circuito electrónico: como interruptor o amplificador, por ejemplo. En particular, en el apartado 2 estudiamos la aplicación del BJT como amplificador, mientras que su uso como interruptor no se trató en detalle. Será en este apartado donde exploraremos cómo se comporta el FET como interruptor mientras que no nos detendremos apenas en su aplicación como amplificador al ser ésta muy similar a la ya explicada en el apartado 2 para el BJT. Existen diferentes tecnologías para la realización de los dispositivos de efecto de campo que básicamente se agrupan en dos variantes: • Transistor de efecto de campo de unión o JFET por Junction Field Effect Transistor. • Transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET por Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. En primer lugar, vamos a ver en el subapartado 3.1 cuáles son los parecidos y diferencias entre los transistores de efecto de campo y los BJT del apartado 1. A continuación, pasaremos a estudiar ambos tipos de transistores, los JFET y los MOSFET. Para estudiar los transistores de efecto de campo, seguiremos para cada tipo los mismos pasos que se dieron en el apartado 1: 1) En primer lugar, vamos a ver la estructura física del transistor, lo que os ayudará a entender sus posibles usos y forma de utilización en circuitos eléctricos prácticos. 2) A continuación, os mostraremos un modelo eléctrico de su funcionamiento. Disponer de un modelo eléctrico nos ayudará a poder ejecutar el análisis de los circuitos en los que interviene de un modo mucho más sencillo. Para ello, describiremos la característica intensidad-voltaje del dispositivo. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 94 3) Finalmente, veremos algunos circuitos basados en transistores de efecto de campo y conoceremos algunas de las aplicaciones típicas de estos dispositivos. Vamos a comenzar por el estudio de los JFET. En el subapartado 3.2, vamos a presentar la estructura física de estos transistores y a exponer su principio de funcionamiento. Conocer de una forma intuitiva su estructura y funcionamiento nos ayudará a obtener un modelo eléctrico del transistor, que será lo que hagamos después en el subapartado 3.3. Como conclusión, veremos que los JFET también necesitan de circuitos de polarización cuando quieren usarse en circuitos de amplificación. Por lo tanto, nos detendremos en introducir alguna topología de circuitos de polarización para JFET en el subapartado 3.4. Para finalizar este subapartado, veremos de una forma breve sus aplicaciones como amplificador en el subapartado 3.5. Una vez hayamos estudiado los JFET, pasaremos a estudiar el otro tipo de transistor de campo, los MOSFET. Para ellos, de nuevo no presentaremos todos los puntos tocados en el caso del JFET, ya que son muy semejantes y contendrían un material casi idéntico. Lo que haremos en el subapartado 3.6 será centrarnos en exponer las diferencias fundamentales de funcionamiento con los JFET y los modelos eléctricos que los representan para que los conozcáis y tengáis a mano. Donde sí nos detendremos un poco será en ver cómo se puede sacar partido del modo de funcionamiento de los MOSFET como interruptores en el diseño de circuitos electrónicos digitales, eso se hará en el subapartado 3.7. Con esto terminará el módulo y habréis obtenido una panorámica general de algunos tipos de transistores muy utilizados en electrónica, sus principios básicos de funcionamiento y algunos circuitos típicos realizados con ellos. ¿Qué vamos a aprender? En este apartado, aprenderéis los siguientes aspectos de los transistores JFET y MOSFET: • Las estructuras físicas básicas. • Los mecanismos de funcionamiento básico. • Las diferentes regiones de operación. • Las características I-V en las diferentes regiones. • Los modelos de parámetros h. • La topología de polarización por división de tensión. • Una topología de amplificación para el JFET. • La aplicación de los transistores MOSFET al diseño de circuitos digitales. ¿Qué vamos a suponer? Supondremos que tenéis conocimientos de teoría de circuitos y de los procedimientos de análisis de circuitos de amplificación adquiridos en el apartado 2 de este módulo. En particular: • Que conocéis las leyes de Kirchhoff. • Que conocéis el principio del divisor de tensión. • Que conocéis el teorema de Thévenin. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 95 Que conocéis los procedimientos básicos de análisis de circuitos de amplificación. • Que conocéis el concepto de frecuencia intermedia. No obstante, antes de comenzar con todos estos puntos, es interesante comentar algunos parecidos y diferencias que tienen estos tipos de transistores en comparación a los BJT vistos en el apartado 1. Esto os dará una idea del uso de un tipo de transistor u otro. 3.1. Diferencias y parecidos del FET con el BJT En este subapartado, vamos a abordar inicialmente algunos parecidos y diferencias de los FET con el transistor bipolar de unión, el BJT. Podríamos resumir los principales parecidos y diferencias en los siguientes puntos: • Ved también El transistor bipolar de unión se estudia en el apartado 1 de este módulo. Principales parecidos: – Son dispositivos de tres terminales de material semiconductor. – El rango de aplicaciones de los FET es muy parecido al rango de aplicaciones de los BJT. • Principales diferencias: – En comparación con los BJT, en los que la conducción está basada en ambos tipos de portadores, mayoritarios y minoritarios, en los FET la conducción tan sólo está basada en los mayoritarios. Por lo tanto, son dispositivos unipolares. – Así como los BJT son dispositivos controlados por corriente, de hecho por la corriente de base IB , los FET son dispositivos controlados por tensión. – Los FET presentan en general una resistencia de entrada muy alta, mucho Portadores mayoritarios y minoritarios Los portadores mayoritarios en un semiconductor de tipo N son los electrones, mientras que los minoritarios son los huecos. En un semiconductor de tipo P, la situación se invierte y los mayoritarios son los huecos, mientras que los minoritarios son los electrones. mayor normalmente que la que presentan los BJT y por lo tanto les otorga una posición de ventaja con respecto a los BJT en este sentido para aplicaciones de amplificación. – Los BJT disponen de una sensibilidad mayor a los cambios de la entrada. Esto es, la variación en la corriente de salida en un BJT ante una variación de la corriente de base es mucho mayor que la variación de corriente en un FET a consecuencia de una variación de la tensión que lo controla. Por ello, las ganancias de amplificación en alterna que presentan los amplificadores basados en BJT son mayores que las presentadas en los basados en FET. – En general, los FET son más estables en temperatura que los BJT y, por lo tanto, no será necesario hacer un estudio de los efectos de la temperatura como el realizado en el subapartado 1.6. Ved también Sobre los portadores mayoritarios y minoritarios ved el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 96 – La estructura física de los FET permite que se puedan fabricar más pequeños que los BJT y por lo tanto son más adecuados para su utilización en circuitos integrados. – Los FET se pueden comportar además como si fueran elementos pasivos como resistencias y condensadores. De esta forma, se pueden construir circuitos electrónicos basados únicamente en ellos sin necesidad de incorporar otro tipo de componentes. Esto representa una importante ventaja con respecto a los BJT en el proceso de fabricación de circuitos integrados, debido a que es más fácil fabricar un transistor que una resistencia o un condensador. Como veis, existen bastantes diferencias entre ellos. Además de estas consideraciones, podéis deducir el motivo por el que muchos circuitos integrados (como pueden ser los microprocesadores, por ejemplo) se realizan utilizando tecnología de tipo FET: se pueden fabricar a un tamaño muy pequeño y de una forma relativamente sencilla. Ahora que ya conocéis las bondades de los transistores de efecto de campo y lo interesante de su uso, podemos empezar con el estudio de su funcionamiento físico. Comenzaremos por los transistores de unión, los JFET, y proseguiremos por los MOSFET. 3.2. El FET de unión, JFET En este subapartado, vamos a describir la estructura física del transistor JFET con objeto de conocer intuitivamente su funcionamiento. Así, estaremos posteriormente en disposición de deducir un modelo eléctrico que lo represente. Para describir la estructura física, nos apoyaremos en la figura 49. Figura 49. Estructura física del transistor JFET de canal N Zona de carga espacial Figura 49 Estructura física del transistor JFET de canal N. En ella, podemos ver los terminales de los que dispone: drenador (D), puerta (G) y fuente (S) así como los dopajes de cada parte del dispositivo. La parte central es de tipo N, mientras que los laterales son de tipo P. D N P G Uniones PN P S Canal de tipo N G CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 97 Como veis en la figura 49, la mayor parte del dispositivo la conforma una barra rectangular de material semiconductor dopado de tipo N a cuyos laterales existen dos regiones dopadas de tipo P. De esta forma, entre ambas regiones parece que queda un canal que une los otros dos extremos del dispositivo, el superior y el inferior. Alternativamente, podríamos haber partido de una barra de material dopada de tipo P y haber dopado los laterales de tipo N como muestra la figura 50. Figura 50. Estructura física del transistor JFET de canal P Zona de carga espacial Figura 50 Dopaje de las diferentes partes del transistor JFET de canal P. La parte central es de tipo P, mientras que los laterales son de tipo N. D P N G Uniones PN P S N G Canal de tipo P De la misma forma que antes, parece que hay un canal entre los extremos superior e inferior del dispositivo. De hecho, es el dopaje de este canal el que se usa para diferenciar a las dos alternativas de JFET que hemos presentado: el JFET de canal N y el JFET de canal P. . Zona espacial de carga Existen dos tipos de JFET: los de canal N y los de canal P según si el dopaje del canal es de tipo N o P respectivamente. Como podéis ver en las figuras 49 y 50, se crean dos uniones PN en los laterales La zona espacial de carga es una región alrededor de la unión, libre de portadores debido al proceso de difusión de los mismos que se produce cerca de la unión. del dispositivo, motivo por el cual se denominan transistores de unión. Como corresponde a las uniones PN, se forma una zona espacial de carga alrededor Ved también de cada una de ellas en el equilibrio. Esta zona de carga espacial la tenéis también representada en las figuras 49 y 50. Fijaos, además, en la figura 51, cómo se parece esta estructura a la presentada en el subapartado 1.1 para el BJT. La zona espacial de carga se estudia en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones” de esta asignatura. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 98 Figura 51. Comparación entre estructuras: a. JFET. b. BJT. a. b. D Figura 51 P N G P N E N P N C Uniones PN B Uniones PN S JFET canal P BJT NPN Ambos transistores tienen dos uniones PN, pero la conexión de los terminales es diferente. Veamos qué terminales tiene el JFET y qué diferencias presenta con respecto al BJT en el movimiento de electrones dentro del dispositivo. 3.2.1. Terminales del JFET Sobre la barra de semiconductor, se depositan cuatro contactos: dos encima de las uniones PN y otros dos sobre los extremos superior e inferior del dispositivo. Los terminales superior e inferior se denominan drenador y fuente respectivamente y se les denota por sus siglas en inglés D de drain y S de source. Los dos contactos sobre las uniones PN suelen estar cortocircuitados entre sí y reciben el nombre de puerta, denotado con la letra G del inglés gate. Por este motivo, aparece la letra G a ambos lados del dispositivo en la figura 49. Así, el JFET es un dispositivo de tres terminales. . El JFET es un dispositivo de tres terminales, denominados: • puerta, gate, G • drenador, drain, D • fuente, source, S Cuando se conecta una fuente de tensión entre el drenador y la fuente, los portadores de carga, que en este caso son los electrones, entran al dispositivo a través de la fuente, S, (de ahí su nombre), pasan a través del canal y salen por el drenador, D, (cuyo nombre proviene del hecho de que actúa sacando los portadores de dispositivo) como podéis ver en la figura 52a. Comparación de las estructuras de los dos tipos de transistores estudiados, el JFET en la figura a y el BJT en la b. Se puede apreciar que ambos están basados en el concepto de unión PN. Aquí no se han representado las zonas espaciales de carga, aunque existen, con objeto de hacer más evidente la semejanza entre las estructuras. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 99 Figura 52. Movimiento de electrones en un JFET a. b. D – D – – – – – Figura 52 – – – G P – N – – – P G P – – N – – P – – – – – – S – – – – S a. La figura representa el movimiento de electrones que se produce dentro de un JFET de canal N. En él, los electrones entran por la fuente, atraviesan el dispositivo y salen por el drenador. La facilidad con la que los electrones pasan a través del canal está controlada por medio de la tensión de puerta. b. La figura muestra el efecto de aplicar una tensión de puerta que hace que la zona de carga espacial aumente y dificulte el paso de los electrones. Por lo tanto, la corriente está controlada por la tensión de puerta. Si en ese momento se aplica una fuente de tensión a la puerta, G, entonces la zona espacial de carga cambia su amplitud facilitando o dificultando el paso de corriente. En la figura 52b podéis ver cómo, a modo de ejemplo, la anchura de la zona espacial de carga ha aumentado y como consecuencia de ello dificulta el paso de electrones, lo que hace que la corriente total a través del dispositivo sea menor. De este modo, la corriente entre los terminales drenador y fuente se puede controlar a través de la tensión de la puerta. Ésta es la característica fundamental de los JFET. En este momento, podemos deducir cuál es la diferencia básica con respecto al funcionamiento de los BJT. En éstos, la corriente atraviesa las uniones PN mientras que en los JFET la corriente se mueve a lo largo del canal sin atravesar en ningún momento las uniones. Si queremos que sea éste el modo de funcionamiento del transistor, necesitaremos que las uniones PN estén polarizadas en inversa para que no haya posibilidad de que exista un flujo de corriente a través de ellas. Si esto es así, por la puerta no circulará corriente alguna, ya que las uniones actuarán como circuitos abiertos y el terminal de puerta no está en contacto directo con la corriente que circula por el dispositivo. . En los BJT, la corriente atraviesa las uniones PN, mientras que en los JFET la corriente se mueve a lo largo del canal sin atravesar en ningún momento las uniones. Para ello, las uniones PN deberán estar polarizadas siempre en inversa. 3.2.2. Símbolos circuitales y configuraciones del JFET De la misma forma que hicimos en el subapartado 1.1, en la figura 53 podéis ver los símbolos que representan los JFET en los circuitos eléctricos. JFET de canal P Si en lugar de un JFET de tipo N pusiéramos un JFET de tipo P, el modo de funcionamiento sería equivalente cambiando electrones por huecos, los sentidos de movimiento de éstos y los nombres de los terminales correspondientes. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 100 Figura 53. Representación circuital de los transistores JFET D Figura 53 D G Símbolos circuitales internacionales de los transistores JFET. G S S JFET de canal N Terminales del JFET JFET de canal P Como veis, los símbolos son diferentes de los usados para el BJT. En ellos, ya se ha indicado la notación habitual para la puerta (G), el drenador (D) y la Normalmente, no se escriben las letras que representan cada terminal del transistor en los circuitos eléctricos. Por eso, es importante saber identificar bien cuál es cada uno a partir únicamente de su símbolo circuital. fuente (S). Además, de la misma forma que para los BJT, podemos distinguir fácilmente entre los símbolos de ambos tipos de JFET mediante un truco: la flecha del terminal de puerta siempre apunta desde la parte P hacia la N. Al igual que los BJT, los JFET pueden usarse en tres configuraciones diferentes, según sea la fuente, el drenador o la puerta el terminal común a los circuitos de entrada y de salida. . Las diferentes configuraciones del JFET están representadas en la figura 54 y son las siguientes: • El JFET en fuente común en la figura 54a. • El JFET en drenador común en la figura 54b. • El JFET en puerta común en la figura 54c. Figura 54. Configuraciones del transistor JFET a. Fuente común b. Drenador común D G c. Puerta común S G vGS S Figura 54 vDS S vGD D vSD D D S vSG G vDG G Una vez ya os habéis hecho una idea del modo de funcionar de los JFET, sus símbolos circuitales y sus posibles configuraciones, vamos a analizar con un poco más de detalle su principio de funcionamiento para obtener las características de intensidad-voltaje. Diferentes configuraciones posibles de los JFET. En este caso, pueden existir distintas configuraciones: a. Fuente común. b. Drenador común. c. Puerta común. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 101 3.3. Características de intensidad-voltaje del JFET En este subapartado, vamos a analizar con un poco más de detalle el funcionamiento del JFET en función de las tensiones aplicadas a los terminales. Como resultado del análisis, deduciremos las características tensión-corriente del dispositivo que nos permitirán disponer de su modelo eléctrico. 3.3.1. Influencia de la tensión de drenador en ausencia de tensión de puerta En primer lugar, comenzaremos el análisis cuando vGS = 0, es decir, cuando no hay tensión aplicada a la puerta, G, medida desde el terminal de fuente, S, y variaremos el potencial vDS , que es el de drenador, D, con respecto a la fuente, S. De esta forma, el terminal que actúa controlando la corriente no desempeña ningún papel y analizamos el comportamiento como si se tratara de un elemento de dos terminales. El estudio de la influencia de vDS comienza desde un valor cero y a continuación lo subiremos para ver qué ocurre: • Si vDS = 0 y vGS = 0 estamos ante un dispositivo en equilibrio. En tal caso, una representación gráfica del dispositivo es la dada en la figura 55, donde podéis ver los contactos que definen los terminales, las uniones PN y la zona espacial de carga alrededor de la unión. Equilibrio de semiconductores Recordad que un semiconductor llega a un estado de equilibrio cuando no hay fuentes externas conectadas a él. Figura 55. Estructura física del transistor JFET de canal N Zona de carga espacial D Figura 55 JFET en ausencia de excitación externa. El dispositivo está en equilibrio y existe una determinada zona espacial de carga alrededor de las unciones PN. N P G Uniones PN P S Canal de tipo N G CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 102 A continuación, aumentamos el valor de la tensión vDS . Al realizar este procedimiento, la puerta y la fuente están al mismo potencial, ya que vGS = 0 y, por lo tanto, la zona espacial de carga cerca de la fuente, S, no se distorsiona. Sin embargo, ahora que la diferencia de potencial entre la fuente y el drenador es positiva, ocurren tres fenómenos que están representados en la figura 56: – Las uniones PN de la puerta se encuentran polarizadas en inversa. En efecto, como vDS es positivo, hay más tensión en el canal que en la puerta y, por lo tanto, las uniones están polarizada en inversa. Como consecuencia, no hay flujo de corriente a través de ellas. Figura 56. Transistor JFET al aplicar una tensión positiva vDS Zona de carga espacial D Figura 56 Efecto de la aplicación de una tensión drenador-fuente positiva. No circula corriente a través de la base, circula corriente por los terminales de drenador y fuente y la zona de carga espacial se ensancha en el lado del drenador. ID N + G P P S – VDS IS – El drenador empieza a atraer electrones hacia sí, ya que el polo positivo Sentido de la corriente de la fuente al que está conectado los atrae. Como resultado, aparece una corriente ID que atraviesa el canal desde la fuente. Por lo tanto, como por las uniones PN no pasa corriente, la corriente de puerta es cero, IG = 0 y la corriente de fuente coincide con la de drenador IS = ID . – Como se aprecia en la figura 56, la zona de carga espacial se distorsiona alrededor del drenador y se hace más ancha. Caída de potencial La caída de potencial asociada a un campo eléctrico depende de la distancia recorrida según la ecuación △V = –E △d donde E es el campo eléctrico y d es la distancia. Por lo tanto, el potencial va cayendo uniformemente con la distancia. Recordad que la corriente eléctrica tiene, por convenio, el sentido contrario al movimiento de los electrones. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 103 Merece la pena detenerse un poco más en este último proceso. Al aplicar una tensión vDS positiva entre los terminales, ésta va cayendo desde el valor positivo hasta cero a lo largo del canal. De esta forma el drenador, que está más alejado de la fuente, estará a un potencial mayor que cualquier punto intermedio del canal. Este hecho implica que la unión PN siente un potencial inverso más grande en la zona del drenador que en la de la fuente. Como consecuencia, la zona de carga espacial será más grande en la parte del drenador, lo que da lugar a esa imagen abombada que podéis ver en la figura 56 y que hace que la anchura del canal sea más pequeña en la parte del drenador. Si la tensión vDS es pequeña, el estrechamiento no será muy grande y, para Ved también incrementos pequeños de tensión, la corriente también se incrementará: el dispositivo se comportará como una resistencia. Por lo tanto, habrá una relación lineal entre la tensión aplicada y la intensidad que circula por el canal como establece la ley de Ohm. De hecho, el JFET se comportará como una resistencia de pequeño valor. • Veamos qué ocurre ahora al aumentar indefinidamente la tensión vDS . Si la tensión aplicada se vuelve demasiado grande, el estrechamiento del canal se hace más importante y dificulta cada vez más el paso de los portadores como está representado en las figuras 57a y 57b, donde podéis ver cómo aumenta la zona espacial de carga al aumentar la tensión vDS . De esta forma, la corriente no crece tanto como antes (cuando vDS era pequeña) al aumentar la tensión y se pierde el comportamiento lineal. A medida que el voltaje va aumentando, llega un momento en el que el canal se estrangula debido a que la zona espacial de carga de cada unión se ha ensanchado tanto que llegan a juntarse como muestra la figura 57c. La tensión para la que se produce el estrangulamiento se denomina tensión de saturación y se denota como vDSsat . Podríais pensar que en estas condiciones no circula corriente entre el drenador y la fuente. Esto no es así, existe una corriente entre drenador y fuente denotada como IDsat . Este resultado puede parecer sorprendente, pero veremos que debe ser así por el siguiente argumento: si no circulara corriente entre el drenador, D, y la fuente, S, entonces no circularía corriente por todo el canal. Entre ellos, habría una caída de potencial de cero, ya que si no fuera así existiría corriente. Si la caída de potencial es cero, entonces no habría deformación de las zonas espaciales de carga y no estaríamos en la situación de estrangulamiento, lo que es una contradicción y, por lo tanto, debe circular corriente entre ellos. . A modo de conclusión, en condiciones de estrangulamiento, es decir cuando el valor de la tensión drenado fuente, vDS , llega a la tensión de saturación, vDS = vDSsat , debe existir necesariamente una corriente entre fuente y drenador y se le denota por IDsat . Podéis consultar la ley de Ohm en el anexo de la asignatura. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 104 Figura 57. Incremento de la tensión vDS Zona espacial de carga Figura 57 D ID ID D N + G P P N S – + vDS G P IS P ID D P N vDS b. vDS2 > vDS1 ID + G – IS S a. vDS1 > 0 D P Proceso que ocurre dentro del material al aumentar la tensión vDS . Al aumentar vDS , las ZCE se ensanchan hasta que llega un momento en el que se produce el estrangulamiento del canal en la figura c. Entonces, la corriente a través del dispositivo permanece constante. – + vDS G P P – vDS N S IS c. vDS = vDS, sat S IS d. vDS > vDS, sat Las tensiones vDS mayores que la tensión de saturación provocarían que las zonas espaciales de carga se juntaran cada vez más como muestra la figura 57.d). Estas tensiones mayores, sin embargo, no causan un incremento en la corriente y por lo tanto se llega también a la corriente de saturación, IDsat . Esta corriente de saturación es la mayor corriente que podemos tener en un transistor JFET. La relación entre el potencial vDS y la corriente ID en cada uno de las casos Tensiones y corrientes descritos está reflejada en la figura 58. Seguiremos el mismo procedimiento que antes. Partiremos de vDS = 0 e iremos aumentando su valor. En la figura 58a, podéis ver la región de tensiones vDS < vDSsat . En esta región, hay una proporcionalidad entre la tensión y la corriente que atraviesa el dispositivo. Por ello, recibe el nombre de región lineal que corresponde al comportamiento, según la ley de Ohm, de una resistencia. En la figura 58b podéis ver que, a medida que nos vamos acercando a la tensión de saturación, se pierde ese comportamiento lineal y la relación entre la Recordad que la tensión vDS representa la tensión de drenador medida desde la fuente y que ID representa la corriente de drenador. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 105 tensión y la corriente se vuelve no lineal. Cuando alcanzamos vDSsat , estamos en la condición de estrangulamiento. Si ahora seguimos aumentando vDS por encima de la tensión de saturación, entonces la corriente se mantiene constante a causa del estrangulamiento, como representa la figura 58c. Esta última gráfica representa el comportamiento global del JFET cuando vGS = 0. Figura 58. Característica I-V del JFET cuando vGS = 0 Figura 58 Zona lineal ID ID D + G N P S P – vDS IS vDS, sat vDS a. vDS < vDS, sat Zona no lineal D ID ID + G P N S P – vDS IS vDS, sat vDS b. vDS = vDS, sat D ID ID ID, sat + G P P – Saturación vDS N S IS vDS, sat vDS c. vDS > vDS, sat Si la tensión vDS continua aumentando indefinidamente, llega un momento en el que se hace tan grande que puede provocar la ruptura del dispositivo y entonces la corriente a través de él se vuelve muy grande. Ésta es una situación Característica I-V del JFET que muestra la relación que existe entre la corriente de drenador y la tensión drenador-fuente cuando vGS = 0. En la figura a se observa la región lineal, cuando todavía las zonas espaciales de carga no se han juntado. En la figura b, podéis ver el punto de estrangulamiento y el comportamiento no lineal en la corriente que se produce al llegar. Finalmente, la c muestra el comportamiento en la zona de saturación. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 106 que se aleja de la que buscamos durante el diseño de los circuitos electrónicos basados en JFET y la evitaremos. Hasta aquí habéis estudiado el comportamiento del transistor cuando vGS = 0. A continuación, vamos a ver qué ocurre con su comportamiento al cambiar los valores de vGS . Así, ya tendremos el comportamiento del JFET en todos los casos posibles. 3.3.2. Influencia de la tensión de drenador con tensiones de puerta negativas Para completar el estudio de las características del JFET, vamos a estudiar el comportamiento del mismo cuando vGS < 0, es decir, cuando la tensión de la puerta medida desde la fuente es negativa. Notad que, en este caso, las uniones PN están polarizadas en inversa, que es el caso que nos interesa, ya que lo que se quiere es que los portadores circulen por el canal desde la fuente hasta el Uniones polarizadas en inversa Una unión PN está polarizada en inversa cuando el potencial de la parte N es mayor que el de la parte P. drenador y no que atraviesen las uniones, como veis en la figura 59. Por lo tanto, sólo estudiaremos el caso de tensiones vGS negativas. Figura 59. Movimiento deseado de los electrones D Figura 59 Comportamiento deseado para los electrones que se mueven desde la fuente, S, hasta el drenador, D, sin poder salir por la puerta, G. – – – – G P – N – – – P – – S Comportamiento no deseado para los electrones – Movimiento deseado para los electrones Ved también Cuando vGS < 0, las uniones PN están polarizadas en inversa y por lo tanto la región de carga espacial alrededor de ellas se hace más grande. Por lo tanto, en este caso el canal se vuelve más estrecho. En la figura 60, podéis ver este proceso. La polarización de las uniones PN y la región de carga espacial alrededor de ellas se estudian en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 107 Figura 60. Zona lineal del dispositivo cuando vGS < 0 Zona espacial de carga Zona espacial de carga D Figura 60 D N G N G P P P P VGS S S a. vGS = 0 b. vGS < 0 Zona espacial de carga D N G P P vGSoff S c. vGS = vGSoff En la figura 60a, podemos ver las zonas espaciales de carga de las uniones cuando vGS = 0. Si ahora aplicamos una tensión vGS < 0, vemos en la figura 60b cómo las zonas espaciales de carga se han ampliado. Si continuamos disminuyendo vGS , llega un momento en el que las uniones se han ensanchando tanto que acaban fundiéndose en una única como muestra la figura 60c. Veamos cómo afecta esta modificación de las zonas espaciales de carga al paso de electrones. Mientras la tensión aplicada no sea muy grande en valor absoluto, las zonas espaciales de carga no se ensanchan lo suficiente como para dificultar demasiado el paso de los electrones y éstos todavía pueden atravesar el canal. En este caso, su flujo es mayor cuanto mayor sea la diferencia de potencial vDS . Por lo tanto, el JFET se sigue comportando como una resistencia (con una dependencia lineal entre voltaje y corriente), pero en este caso con una pendiente menor que cuando vGS = 0, como ilustra la figura 61, en la que se muestran las rectas que caracterizan el dispositivo para diferentes tensiones vGS y cómo varía su pendiente. A medida que vGS es menor (es decir, aumenta en valor absoluto, ya que es negativa) la pendiente es menor, ya que los portadores encuentran más resis- Tamaño de las ZCE cuando la tensión de puerta y fuente es negativa, vGS < 0. En la figura a podéis ver el tamaño de la ZCE cuando vGS = 0. En la figura b la tensión se hace negativa y la zona de carga espacial aumenta. Si esa tensión se hace muy negativa, las dos zonas se juntan como muestra la figura c. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 108 tencia al paso en el canal. Esto hace que en la figura 61, las rectas correspondientes a una tensión vGS menor estén por debajo de la recta correspondiente a vGS = 0. Figura 61. Zona de carga espacial cuando vGS < 0 ID vGS = 0 vGS disminuye vDS vGS < vGSoff (corte) Si vGS es muy negativa, igual o menor que una tensión umbral, vGSoff , entonces la pendiente de la recta ha descendido tanto que se convierte en el eje horizontal como veis en la figura 61. En consecuencia, no puede circular corriente Figura 61 Representación de la zona lineal del dispositivo para diferentes valores de vGS . Se observa que la pendiente se hace menor a medida que la tensión vGS disminuye, (se hace más grande en valor absoluto). Notad que se representa la intensidad (I) frente a la tensión (v) en lugar de hacerlo al revés y que, por lo tanto, la pendiente de esa recta es la inversa de la resistencia. En consecuencia, si la pendiente disminuye, la resistencia aumenta. La tensión vGSoff es una tensión característica de cada JFET y su valor lo debe proporcionar el fabricante. por el dispositivo. Decimos entonces que el JFET está en estado de corte. Estado de corte Llegados a este punto, si la tensión vGS se vuelve demasiado negativa, entonces llega un momento en el que las uniones PN se pueden perforar. Estaremos entonces en la región de ruptura del dispositivo. Es importante destacar que, una vez la tensión vGS ha descendido por debajo de vGSoff , la corriente que circula por el dispositivo es prácticamente nula. Por lo tanto, el hecho de disminuir todavía más la tensión vGS (muy por debajo de vGSoff ) no causa ninguna variación apreciable en la corriente, sólo posibilita que las uniones PN se puedan perforar. Si fijamos un valor constante y negativo de vGS y a continuación modificamos vDS , entonces observamos el mismo comportamiento que el descrito en el subapartado 3.3.1 para vGS = 0; la corriente se llega a saturar debido al estrangulamiento del canal cerca del drenador. Por lo tanto, lo que se tiene son réplicas de las características mostradas en la figura 58c pero para valores más pequeños de la corriente de drenador ID . En la figura 62, podéis ver dibujadas cómo quedarían las características del JFET. En la figura 62, podéis ver las curvas características para un JFET de canal N. En ellas, podéis observar la corriente de drenador ID representada frente a la tensión vDS para distintos valores de la tensión de puerta vGS . Como podéis ver, son curvas muy parecidas a las de la figura 58c pero desplazadas verticalmente debido al aumento de resistencia que supone la aplicación de una tensión de puerta negativa que polariza inversamente las uniones PN. No debéis confundir el estado de corte con la tensión umbral. Corte representa un estado del transistor mientras que umbral hace referencia a un valor concreto de la tensión vGS . CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 109 Figura 62. Curvas características I-V del transistor JFET Zona ruptura Zona lineal Zona saturación ID vGS = 0 IDss vGS = –1V vGS = –2V vGS = –3V Vp vDS Vr vDS,sat = vGS – vGSoff Zona corte Vr – 1 También podéis ver en la figura 62, el valor de vDS que hace que se alcance la saturación cuando vGS = 0. Este valor concreto de tensión se denomina algunas veces Vp de pinch-off porque hace referencia al momento en el que comienza el estrangulamiento. Para muchos dispositivos, el valor de vGSoff coincide en valor absoluto con Vp , pero es de signo opuesto de tal forma que vGSoff = –Vp . El valor de la tensión vDS a la que se produce saturación para una tensión de referencia vGS se puede calcular como: vDSsat = vGS – vGSoff (171) debido a que podemos considerar que ambas tensiones vGS y vDS suman sus efectos para producir el estrangulamiento. Por lo tanto, la diferencia de valores en la ecuación 171 es la responsable de la saturación en corriente del dispositivo. . Las zonas de trabajo del transistor JFET están representadas en la figura 62 y son las siguientes: • zona de corte, • zona lineal u óhmica, • zona de saturación, • zona de ruptura. Tensiones en las ecuaciones Recordad que, en todas las ecuaciones, las tensiones deben participar con sus respectivos signos. Así, la tensión vGSoff en la ecuación 171 es negativa y debe entrar en ella con ese signo. Como resultado, estará sumada a vGS . Zona óhmica La zona lineal también recibe el nombre de zona óhmica, ya que la ley de Ohm define un comportamiento lineal entre el voltaje y la corriente. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 110 Estas zonas responden a comportamientos diferenciados del JFET y merece la pena detenerse con cierto detalle en cada una de ellas, de la misma forma que hicimos en el subapartado 1.5 para el transistor BJT. 3.3.3. Zonas de trabajo de un JFET En este subapartado, vamos a analizar con un poco más de detalle las zonas de trabajo de un transistor JFET obtenidas en el subapartado 3.3.2 y representadas en la figura 62. Zona de corte Comenzaremos el estudio por la zona de corte. Como podéis ver en la gráfica 62, esta zona se corresponde con el semieje horizontal positivo hasta la tensión de ruptura. En consecuencia, la corriente de drenador es cero, ID = 0, independientemente del valor del voltaje vDS . . El transistor se encuentra operando en la región de corte cuando la tensión vGS es más pequeña que su tensión umbral: vGS ≤ vGSoff (172) En esta situación, el canal se encuentra completamente cerrado y esa condición no es compatible con la existencia de corriente a través de ella. El transistor actúa, por lo tanto, como un circuito abierto. Prosigamos con la zona óhmica o lineal. Zona óhmica o lineal El transistor opera en la zona lineal cuando, para un valor fijo de vGS , la tensión vDS es superior a la tensión de saturación. . El JFET está en la zona lineal cuando: vDS ≤ vGS – vGSoff donde vGSoff es la tensión umbral. (173) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 111 En esta región, el transistor se comporta como una resistencia de valor controlado por la tensión vGS sobre todo para valores pequeños de vDS . Esto es así ya que, como podéis apreciar en la figura 62, existe una relación lineal entre ID y vDS cuya pendiente (que es el inverso de la resistencia) cambia en función de los valores de la tensión de puerta, vGS . A medida que vGS disminuye, el canal se estrecha y la pendiente disminuye debido a que los portadores encuentran más resistencia en su recorrido a través del canal tal como mostraba la figura 60. Por otro lado, al aumentar el valor de vDS y aproximarse al valor de saturación, se pierde la linealidad debido a que el canal se acerca de nuevo al estrangulamiento. Si aumentamos demasiado la tensión vDS , se llega a la zona de saturación. Zona de saturación El transistor se encuentra en la zona de saturación para valores de vDS superiores al de saturación. . El transistor se encuentra en saturación cuando: (174) vDS ≥ vDSsat donde vDSsat es el valor de la tensión de saturación, que depende del valor aplicado de vGS En esta situación, la corriente ID es constante y no depende del valor concreto de la tensión aplicada vDS ; tan sólo depende del valor de vGS . Por lo tanto, en esta zona de trabajo, el transistor se comporta como una fuente de corriente de valor controlado por la tensión de puerta, vGS . . La ecuación que relaciona en la zona de saturación el valor constante de la corriente ID con el valor de la tensión de puerta vGS es la siguiente: ID = IDss 1 – vGS vGSoff !2 (175) donde IDss es la corriente de saturación del dispositivo cuando vGS = 0. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 112 De esta forma, ya tenemos la ecuación que liga ambas variables, ID y vGS , entre sí. Finalmente, la última zona de trabajo en la que nos detendremos es la zona de ruptura. Zona de ruptura Como habéis visto en el subapartado 3.2, el transistor JFET está compuesto de dos uniones PN polarizadas en inversa. Además, esa polarización inversa es tanto mayor cuanto menor sea el valor de vGS . Cuando una unión PN se encuentra polarizada en inversa entonces la zona espacial de carga aumenta. Sin embargo, esta tensión inversa no se puede au- Polaridad de vGS Recordad que vGS tiene que ser negativo para que las uniones estén en inversa y por lo tanto, cuanto más pequeño sea ese valor, más en inversa estarán polarizadas las uniones. mentar indefinidamente, ya que si se supera un determinado valor (tensión de ruptura, Vz , característico de cada unión y que suele proporcionar el fabri- Ved también cante en sus hojas de características) la unión se perfora, lo que produce la ruptura del dispositivo. Las uniones se encuentran más fuertemente polarizadas en el lado del drena- La unión PN se estudia en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones” de esta asignatura. dor, ya que la caída de tensión drenador-puerta es mayor que la de puertafuente. Entonces, se producirá la ruptura de las uniones cuando vDG > Vz (176) En este sentido, puesto que vDS = vDG + vGS , el transistor se encuentra en su zona de ruptura cuando vDS ≥ Vz + vGS (177) Si tenemos en cuenta que la tensión vGS es negativa, el valor de la tensión vDS de ruptura irá disminuyendo al ir disminuyendo el valor de vGS . Éste es el motivo por el que las curvas de ruptura cortan las curvas de saturación en la figura 62. De esta discusión sobre las regiones de funcionamiento se puede deducir un hecho que ocurre de forma semejante que en los BJT: si queremos que el transistor trabaje en una región independientemente del valor de tensión variable en el tiempo que se conecte a su puerta, es necesario un circuito de polarización. Este circuito le obligará a comportarse siempre del mismo modo aunque la señal de entrada varíe en el tiempo. La razón es que el circuito de polarización superpondrá, como en el caso del BJT, una señal continua sobre la señal variable en el tiempo que hará que el valor de la tensión de puerta no oscile demasiado como para cambiar su región de funcionamiento. En el siguiente subapartado, vais a conocer algunos de los circuitos de polarización más típicos en transistores JFET. Recordad que denotamos la tensión de ruptura por Vz . CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 113 3.4. Circuitos de polarización para el JFET Al igual que en los transistores BJT, el circuito de polarización seleccionará la región de funcionamiento del transistor. En particular, el circuito de polarización seleccionará el punto de trabajo alrededor del cual está trabajando. La red de polarización se diseñará con el mismo criterio de mantener la máxima estabilidad posible del punto de operación frente a variaciones de parámetros y permitir la máxima amplitud posible en la señal de entrada (es decir, excursión simétrica máxima). Podríamos fijarnos en este caso también en la aplicación del JFET a circuitos de amplificación. De la misma forma que los BJT se polarizan en la región activa, los transistores JFET se polarizarán en la región de saturación para sus aplicaciones de amplificación. Para ello, se utilizan los circuitos que vamos a analizar en este apartado. Comenzaremos con un circuito elemental y finalizaremos con una red de polarización por división de tensión muy parecida a la que ya estudiasteis en el subapartado 2.1.3 para el transistor BJT. 3.4.1. Circuito de polarización elemental En primer lugar, nos vamos a centrar en el estudio de un circuito de polarización elemental, que nos permitirá situar el transistor en su zona de trabajo de saturación. Esto nos permitirá fijar el procedimiento básico para su análisis, que seguirá unos pasos muy parecidos a los que seguimos en el subapartado 2.1.3. Después, seguiremos estos pasos para analizar un circuito de polarización con una topología diferente. El circuito que estudiamos en este subapartado está representado en la figura 63 y es uno de los circuitos más típicos utilizados para polarizar JFET. Figura 63. Circuito de polarización elemental para el JFET de canal N VDD + – ID RD Malla D salida RG VGG – IG G + Malla entrada S Figura 63 Topología de polarización para el transistor JFET de canal N que hace que la región de operación del transistor sea la de saturación. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 114 Para el caso de los JFET, los pasos para analizar el circuito de polarización son los siguientes: 1) Aplicamos la ley de Kirchhoff de voltajes a la malla de entrada: VGG + IG RG + vGS = 0 (178) 2) Como la impedancia de entrada del JFET vista desde la puerta, G, es muy alta debido a que la unión PN de la puerta está polarizada en inversa, podemos suponer que la corriente que circula por la resistencia RG es muy pequeña, IG ≈ 0, y por lo tanto de la ecuación 178 obtenemos: vGS ≈ –VGG (179) El objetivo de este paso es despejar de la ecuación 178 el parámetro que actúa controlando la salida: en este caso, es la tensión vGS y, en el caso del BJT, era la corriente de base IB . 3) Escribimos la relación entre la entrada vGS y la salida ID por medio de la ecuación 175, ya que la zona de trabajo del transistor es la de saturación: ID = IDss v 1 – GS vGSoff !2 (180) Esta ecuación nos permite calcular la corriente de drenador, ID . 4) Después, aplicamos la ley de Kirchhoff de voltajes a la malla de salida: VDD = ID RD + vDS (181) 5) Finalmente, despejamos de la ecuación 180 el valor de ID y sustituimos su valor en la ecuación 181. A continuación, ya podemos despejar el valor de la tensión vDS : vDS = VDD – ID RD = VDD – IDss v 1 – GS vGSoff !2 RD (182) De esta forma, ya tenemos calculados los valores de las corrientes y tensiones del dispositivo en su punto de trabajo o punto Q. En este caso, el punto de trabajo está caracterizado por los valores Q = (vDS ,ID ). . El punto de trabajo de un JFET está caracterizado por los valores Q = (vDS ,ID ) donde vDS es la tensión del drenador, D, medida desde la fuente, S, e ID es la intensidad de drenador. Resistencia RG La resistencia RG no tiene ningún papel al ser el valor de la corriente IG muy pequeño. No obstante, se coloca en el circuito para representar el efecto de las resistencias colocadas en el terminal de puerta del transistor que siempre hay en un circuito real. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 115 Veamos en un ejemplo cómo calcular el punto de operación. Ejemplo 12 Calculad el punto de operación del JFET en el circuito de la figura 63 para los siguientes datos: • • • El fabricante del dispositivo nos informa de que vGSoff = –3,5 V, IDss = 5 mA VDD = 20 V, VGG = 2 V RG = 10 kΩ, RD = 100 Ω Solución Seguimos los pasos indicados: 1) En primer lugar, aplicamos la ley de Kirchhoff de voltajes a la malla de entrada, ecuación 178: VGG + IG RG + vGS = 0 (183) 3 (184) 2 + IG 10 · 10 + vGS = 0 2) Como IG ≈ 0, podemos despejar vGS ahora: vGS = –2 V (185) 3) Ahora, mediante la ecuación 180, calculamos el valor correspondiente a la corriente de drenador, ID : !2 (186) « „ –2 2 = 9,2 · 10–4 A ID = 0,005 1 – –3,5 (187) ID = IDss 1– vGS vGSoff 4) Ahora que ya tenemos ID , tan sólo nos queda hallar vDS . Para eso, aplicamos la ley de Kirchhoff de voltajes a la malla de salida (ecuación 181): VDD = ID RD + vDS (188) 5) Finalmente, despejamos vDS de la ecuación 188: vDS = VDD – ID RD = 20 – 9,2 · 10–4 · 100 = 19,9 V. (189) y ya tenemos calculado el punto de trabajo del transistor, que resulta ser: Q = (vDS = 19,9 V,ID = 9,2 · 10–4 A) (190) Observad que vDS ≥ vDSsat = vGS – vGSoff = –2 – (–3,5) = 1,5 V y por tanto el transistor se encuentra en su zona de saturación. Como veis, éste es un método de cálculo del punto de trabajo directo y analítico y será el que más utilicéis para resolver circuitos con transistores. Sin CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 116 embargo, de la misma forma que hicimos en el subapartado 2.1.3 para el BJT, el punto de trabajo del transistor también se puede representar de una forma gráfica mediante la recta de carga estática. La representación gráfica del punto de trabajo proporciona una herramienta intuitiva para entender la situación del punto de polarización, aunque desde el punto de vista del cálculo sea menos conveniente, ya que es necesario disponer de las curvas características en un formato editable y poder dibujar sobre ellas la recta de carga. De todas formas, este proceso siempre se puede hacer a mano puesto que el fabricante proporciona las curvas y podemos dibujar sobre ellas para calcular gráficamente en papel cuadriculado el punto de operación. Veamos, a continuación, cómo queda esta representación gráfica. La recta de carga para el JFET En este subapartado, vamos a ver cómo determinar el punto de trabajo del JFET a partir de la recta de carga. El proceso es muy semejante al llevado a cabo en el subapartado 2.1.1 para el BJT. Inicialmente, vemos que la ecuación de la malla de salida 182 define una recta en el plano (vDS ,ID ), que se llama recta de carga y que podéis ver en la figura 64. Figura 64. Determinación del punto de trabajo por medio de la recta de carga ID Cálculo gráfico del punto de operación a partir de las características del JFET y de la recta de carga. El punto de operación está definido como la intersección de ambas curvas. Recta de carga Punto de trabajo vGS = 0 vGS = –1V ID,Q Figura 64 vGS = –2V vGS = –3V vDS vDS,Q Sobre la gráfica de la recta de carga se superponen las características del JFET como podéis ver también en la figura 64. El punto de intersección de la recta de carga con las características es el que define el punto de trabajo del transistor. El valor de vGS se lee de la característica del JFET. En la figura 64, podéis ver que se trata de –1 V. Por otro lado, los valores de vDS,Q e ID,Q del punto de CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 117 trabajo se leen como las proyecciones en los ejes del punto de intersección. De esta forma, calculamos el punto de trabajo de una manera gráfica. Este circuito nos ha servido para ilustrar el procedimiento de análisis del punto de polarización del transistor e introducir una topología para ello. Sin embargo, el circuito no se utiliza mucho debido a que, además de necesitar dos fuentes, las VGG y VDD , es bastante inestable, ya que no garantiza que estemos trabajando siempre en la región de saturación. Para paliar estas desventajas, disponemos de la polarización por división de tensión que veremos en el subapartado siguiente. De este modo, dispondréis de dos ejemplos de análisis del punto de operación para circuitos diferentes que os ayudará a calcular el punto de trabajo para cualquier otro tipo de circuito de polarización sin más que adaptar el método propuesto en este subapartado. Polarización por división de tensión La polarización por división de tensión está inspirada en los mismos fundamentos que ya visteis en el subapartado 2.1.2 para la polarización del transistor BJT. Como podéis ver en la figura 65, se trata de situar el transistor dentro de una configuración circuital de un divisor de tensión. Figura 65. Circuito de polarización por división de tensión para el JFET de canal N VDD + – Terminales del JFET Recordad que los terminales del JFET son puerta (G), drenador (D) y fuente (S). RD R1 Figura 65 D G R2 S RS Equivalente Thèvenin En este caso, tan sólo necesitamos una fuente de alimentación, dada por VDD , y las cuatro resistencias que forman parte del circuito. Para elaborar el análisis, podemos seguir los mismos pasos que en el subapartado 3.4.1. No obstante, para simplificar el procedimiento, lo primero que hacemos es calcular el equivalente Thévenin de los componentes marcados en la figura 65. Para proceder Circuito de polarización del JFET de canal N basado en el principio del divisor de tensión. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 118 con la simplificación, primero redibujamos el circuito de la figura 65 de una forma más conveniente en la figura 66. Figura 66. Redibujo del circuito de polarización por divisor de tensión Figura 66 Circuito de polarización por división de tensión en el que se ha redibujado el circuito de entrada para poder calcular más fácilmente su equivalente Thévenin. VDD + – RD VDD – + D R1 G S R2 RS Equivalente Thèvenin Ahora vemos que las resistencias R1 y R2 están colocadas en paralelo y que el voltaje equivalente Thévenin es el que aparece en el terminal de fuente, S. El resultado es el circuito equivalente mostrado en la figura 67 donde los valores de los componentes equivalentes, VTh y RTh son: VTh = VDD R2 R1 + R2 (191) RTh = R1 R2 R1 + R2 (192) Figura 67 Figura 67 VDD + – ID RD D RTh + VTh – IG Malla S salida G IS Malla entrada RS Circuito equivalente Thévenin de la polarización por división de tensión. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 119 Ahora estamos en disposición de enumerar los pasos que hemos de seguir para determinar el punto de operación: 1) Escribimos la ecuación de malla (ley de Kirchhoff de voltajes) a la entrada: VTh = IG RTh + vGS + IS RS (193) 2) Como la impedancia de entrada del JFET vista desde la puerta es muy alta debido a que la unión PN de la puerta está polarizada en inversa podemos suponer que IG ≈ 0 y, por lo tanto, IS ≈ ID puesto que la ley de Kirchhoff de corrientes establece que: IS = IG + ID . Bajo esta aproximación, la ecuación 193 se convierte en: VTh ≈ vGS + ID RS (194) El objetivo de este paso vuelve a ser despejar de la ecuación 194 el parámetro que actúa controlando la salida: en este caso, debemos despejar la tensión vGS . El problema que tenemos ahora es que hay dos parámetros desconocidos en la ecuación 194, vGS e ID . Necesitamos encontrar otra ecuación que los relacione para formar un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas y así poder despejar ambos. La otra ecuación que los relaciona es la característica del JFET. 3) Escribimos la relación entre la entrada vGS y la salida ID utilizando la ecuación 180: ID = IDss v 1 – GS vGSoff !2 (195) Las ecuaciones 194 y 195 forman un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas que nos permiten despejar vGS e ID . 4) Después, escribimos la ecuación de malla a la salida utilizando la ley de Kirchhoff de voltajes: VDD = ID RD + vDS + IS RS (196) 5) Finalmente, usamos el hecho de que IS ≈ ID y despejamos vDS de la ecuación 196: vDS ≈ VDD – ID (RD + RS ) de donde obtenemos el último valor que nos faltaba. (197) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 120 De esta forma, somos capaces de calcular el punto de trabajo del transistor, es decir de establecer los valores de las corrientes y voltajes en continua que circulan por él. De la misma forma que pasaba con el BJT, la topología de polarización por división de tensión se utiliza mucho en el diseño de amplificadores basados en JFET. El motivo es que proporciona mucha más estabilidad del punto de operación frente a variaciones en los parámetros del transistor que la que no posee una resistencia de fuente. Veamos con un ejemplo cómo se aplica. Ejemplo 13 Calculad el punto de trabajo del transistor en el circuito de la figura 65 para los siguientes valores de los parámetros: • • • • VGSoff = –1,76 V, IDss = 4,8 mA R1 = 100 kΩ, R2 = 33 kΩ RD = 270 Ω, RS = 1,5 kΩ VDD = 10 V Solución Primero, calculamos los valores del equivalente Thévenin del circuito de entrada mediante las ecuaciones 191 y 192: R2 = 2,48 V R1 + R2 (198) R1 R2 = 24,8 kΩ R1 + R2 (199) VTh = VDD RTh = Una vez que ya disponemos de los valores del equivalente Thévenin proseguimos con el resto del procedimiento: 1) Calculamos la ecuación de la malla de entrada, ecuación 193: VTh = IG RTh + vGS + IS RS (200) 2) A continuación, hacemos que IG = 0 e IS = ID y escribimos la ecuación 200 como: VTh = vGS + ID RS (201) 2,48 = vGS + 1.500ID (202) Tenemos una ecuación con dos incógnitas, vGS e ID . Para determinar ambas variables, necesitamos una ecuación más, que será la que obtengamos en el siguiente paso. 3) Escribimos la relación entre la entrada y la salida descrita por la ecuación 195: !2 (203) „ « vGS 2 ID = 0,0048 1 + 1,76 (204) ID = IDss 1– vGS vGSoff Tenemos un sistema de dos ecuaciones (202 y 204) con dos incógnitas (vGS e ID ). Para resolverlo, sustituimos la expresión para ID de la ecuación 204 en la ecuación 202: CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 121 „ « vGS 2 2,48 = vGS + 1.500 · 0,0048 1 + 1,76 (205) y despejamos el valor de vGS resolviendo la ecuación cuadrática 205. Existen dos soluciones: vGS = –3,34 V (206) vGS = –0,60 V (207) Para que el transistor no esté en corte, es necesario que vGS ≥ vGSoff que en este caso es de vGSoff = –1,76 V. Por lo tanto, el valor que buscamos es vGS = –0,60 V. El valor de ID se puede obtener ahora mediante la ecuación 204: „ « vGS 2 ID = 0,0048 1 + = 2,1 mA 1,76 (208) 4) Para finalizar, calculamos el valor de vDS de la ecuación de malla a la salida de la ecuación 197: vDS = VDD – ID (RD + RS ) = 6,35 V (209) y ya tenemos calculado el punto de trabajo del transistor: Q = (vDS = 6,35 V,ID = 2,1 · 10–3 A) (210) Una vez que tenemos los valores en continua de la señal, fijados por el circuito de polarización, el siguiente paso será añadir a la señal de entrada una señal que varíe en el tiempo. En el siguiente subapartado, vamos a ver cómo se comporta el JFET ante señales de entrada que varíen en el tiempo y cómo quedan algunas topologías sencillas de circuitos de amplificación con el JFET. 3.5. El FET en pequeña señal y a frecuencias intermedias Una de las aplicaciones de los transistores JFET es su uso en circuitos de amplificación. Esto significa, en general, amplificar una señal que varía en el tiempo. Ya hemos visto en el subapartado 3.4 que la conexión de una señal variable en el tiempo directamente al transistor podría dar lugar a que cambiara su zona de operación a medida que pasa el tiempo y que eso era algo que debíamos evitar. Para eso diseñábamos circuitos de polarización que fijaban unas tensiones y corrientes en continua a las que superponerles la señal que varía en el tiempo. La amplitud de la señal por amplificar debe ser lo suficientemente baja como para que no modifique la zona de trabajo del transistor. Por ese motivo, habla- CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 122 mos de pequeña señal. Además, dado que el funcionamiento del dispositivo también es no lineal, como pasaba con el BJT, la señal deberá ser también suficientemente baja como para que el comportamiento del JFET alrededor del punto de trabajo sea lineal. Por otro lado, la señal que superpongamos deberá ser también de baja fre- Baja frecuencia cuencia, como ya hicimos en el caso del BJT. Así, podremos despreciar fenómenos más complejos que ocurren dentro de los semiconductores y quedarnos con el comportamiento del transistor presentado en el subapartado 3.2. Sin embargo, no incluiremos los términos de continua al realizar el análisis del transistor como amplificador, ya que, si la señal de entrada posee términos de continua, éstos moverán el punto de operación de posición y podría pasar que se pudiera alterar su región de trabajo, lo que no nos interesa. Por lo tanto, trabajaremos en la región de baja frecuencia, pero excluyendo las componentes de continua. A esta región se la denomina frecuencias intermedias. . Se denomina frecuencias intermedias al conjunto de frecuencias de la señal de entrada cuya longitud de onda es mucho más pequeña que las dimensiones del circuito sin tener en cuenta las componentes de continua. Cuando una señal varía en el tiempo de forma tal que sus componentes son de frecuencias intermedias, se dice que es una señal alterna. Como podéis ver, estamos exactamente ante las mismas condiciones que ya tratamos en el apartado 2 para el BJT en aplicaciones de amplificación. El análisis del circuito con señales alternas se ejecuta de la misma forma que se hizo para el BJT en el apartado 2. La región que suele ser de interés en los JFET es la de saturación, que es la región en la que están utilizados los JFET en las aplicaciones de amplificación. En esta región de operación, la corriente de drenador, ID , está gobernada por la tensión de puerta, vGS . De las curvas características del JFET mostradas en la figura 62, podéis comprobar que el dispositivo tiene un comportamiento no lineal. Sin embargo, si la amplitud de la señal superpuesta es lo suficientemente pequeña, entonces podemos suponer que alrededor del punto de trabajo tiene un comportamiento lineal. Así que el primer paso es encontrar el modelo lineal que describe al JFET en su región de funcionamiento de saturación. Una vez dispongamos del modelo lineal de pequeña señal, podremos sustituir el JFET por su modelo y analizar el circuito resultante mediante las técnicas habituales de teoría de circuitos. Fijaos en que es exactamente el mismo procedimiento que el que ya seguimos en el apartado 2 para el BJT. Por este motivo, no vamos a desarrollar este subapartado con todo detalle, sino que nos limitaremos a mostrar el modelo lineal del JFET y a mostrar una topología de amplificación. El análisis de la misma lo podéis hacer vosotros mismos a través de los pasos vistos en el apartado 2. Recordad que por baja frecuencia entendemos el conjunto de frecuencias de la señal de entrada cuya longitud de onda es mucho más pequeña que las dimensiones del circuito. Además, también incluye las señales continuas. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 123 3.5.1. Modelo lineal del JFET En este subapartado, os presentaremos un modelo lineal del JFET válido en la región de saturación, que es el utilizado en circuitos de amplificación. Para ello, interpretamos el JFET como la bipuerta mostrada en la figura 68. Como veis, el JFET trabaja en este caso en fuente común, ya que ese terminal es el compartido por los circuitos de entrada y de salida. Figura 68. Interpretación de JFET como una bipuerta Representación del transistor JFET como una bipuerta en la que la fuente es el terminal común y la salida se toma en el terminal de drenador. ID D IG Figura 68 G vDS vGS S S Bipuerta . Las variables eléctricas del JFET serán la corriente que entra por el terminal de entrada, IG , y por el terminal de salida, ID , mientras que los voltajes serán los referidos a la fuente, vGS y vDS . El objeto del modelo de pequeña señal es el de establecer qué relación hay entre ellas. El modelo de pequeña señal y frecuencias intermedias del JFET está representado en la figura 69, que no es más que el modelo de parámetros híbridos (o parámetros h) presentado en el subapartado 2.3.1 para el BJT adaptado a las características concretas del JFET. Figura 69. Modelo de pequeña señal del JFET Figura 69 ID D IG G gmvgs gd vDS vGS S S Entrada Salida Modelo de pequeña señal y baja frecuencia del JFET representado como una bipuerta. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 124 Analicemos con un poco más de detalle este modelo. De la figura 69, podemos deducir que la corriente de puerta es cero, IG = 0, debido a que el terminal de puerta termina en un circuito abierto. Como ya hemos indicado en el subapartado 3.4.1, este valor es razonable, ya que la polarización inversa de la unión impide el paso de corriente a través de la puerta. El valor del voltaje vGS es el que se controla y se decide libremente desde la entrada. Por otro lado, en la parte de la salida, que es la parte derecha de la figura 69, aparece una fuente de corriente controlada por tensión con una ganancia gm que recibe el nombre de transconductancia. Además, aparece una admitancia, gd , (que es el inverso de la resistencia) y que desempeña el papel de la resistencia que ofrece el canal al paso de corriente. De esta forma, la ecuación que describe el lado derecho de la bipuerta es la siguiente: ID = gd vDS + gm vGS (211) donde 1) gm es la transconductancia. 2) gd es la conductancia de salida o de canal. Así, ya tenemos el modelo que os va a permitir llevar a cabo el análisis de un circuito amplificador basado en JFET de un modo estándar de la misma forma que con cualquier otro tipo de circuito pasivo. . Los valores de gm y gd vienen dados (en la región de saturación) por: gm = ∓ gd ≈ 0 (212) IDQ IDSS (213) 2 q VT donde el signo en la ecuación 213 se debe tomar: • negativo para los JFET de canal N, • positivo para los JFET de canal P, de tal forma que gm sea siempre un valor positivo. Puede sorprender el hecho de que gd ≈ 0 en la ecuación 212. Esto es debido a que la resistencia que ofrece el canal al paso de portadores ya se tiene en cuenta al ajustar el valor de la ganancia de la corriente gm y por lo tanto no hace falta esa componente en la construcción del modelo lineal en saturación. Este valor está en consonancia con la pendiente prácticamente cero que tienen las curvas características del JFET en la región de saturación, como podéis ver CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 125 en la figura 62. El modelo reducido en el que se ha tenido en cuenta que gd ≈ 0 está representado en la figura 70. Figura 70. Modelo reducido de pequeña señal del JFET Figura 70 ID D Representación en forma de bipuerta del modelo reducido de pequeña señal y baja frecuencia del JFET. IG G gmvgs vDS vGS S S Entrada Salida Una vez que ya tenemos el modelo lineal, pasemos a mostrar un ejemplo de su uso en un circuito de amplificación. Para ello, vamos a presentar una topología de un circuito de amplificación y, con el modelo lineal, calcularemos su resistencia de entrada. Como hemos mencionado antes, no vamos a desarrollar este subapartado con todo detalle, ya que sus características son muy similares a las presentadas en el apartado 2. 3.5.2. Topología de amplificación con JFET Para finalizar este apartado dedicado al JFET, presentamos en la figura 71 la estructura de un circuito de amplificación basado en él. Figura 71. Circuito de amplificación basado en JFET R1 RD C1 C2 D G vi (t) Topología de un circuito de amplificación basada en el transistor JFET de canal N. VDD + – Condensadores de desacoplo Rg Figura 71 S R1 R2 RS Polarización por división de tensión C3 CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 126 Como podéis ver en la figura 71, se parte de un transistor JFET polarizado en su zona de saturación por medio de una red de polarización basada en división de tensión. A la topología de polarización por división de tensión, se le han añadido dos condensadores de desacoplo, para la entrada y para la salida, que hacen que la componente de continua de la tensión aplicada vi (t) y que la componente continua demandada por la carga no modifiquen el punto de operación de continua. Podéis comparar esta topología de circuito de amplificación con JFET con la presentada en la figura 34 del subapartado 2.4.1 para el BJT cuyo esquema básico está repetido a continuación. Figura 72. Circuito de amplificación basado en BJT Figura 72 + VCC – R1 RC Salida C CB vo (t) B E vi (t) R2 RE CE Entrada Polarización por división de tensión Como veis, ¡se trata del mismo esquema! salvo que el BJT se ha remplazado por un JFET. Por lo tanto, todos los procedimientos que vimos en el apartado 2 para el análisis del circuitos de amplificación siguen siendo válidos aquí salvo que, en lugar de utilizar el modelo del BJT, deberéis utilizar el modelo de pequeña señal que acabamos de ver para el JFET en el subapartado 3.5. Los valores de los parámetros del modelo deben ser los asociados a la zona de saturación, que es la zona en la que se polariza el JFET para aplicaciones de amplificación. Así, no nos vamos a detener a analizar con detalle el funcionamiento del amplificador. Lo que sí vamos a hacer es comprobar una característica de los amplificadores con JFET que los diferencia de los amplificadores basados en BJT. Se trata de su resistencia de entrada. Además, podréis ver cómo se utiliza el modelo de pequeña señal del JFET. Resistencia de entrada de un amplificador con JFET En este subapartado, vamos a calcular la resistencia de entrada de un amplificador basado en JFET y la compararemos con el valor obtenido para uno Circuito de amplificación basado en BJT. Se observa que los circuitos de amplificación basados en BJT y JFET tienen la misma topología salvo porque el transistor utilizado es diferente. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 127 basado en BJT. En primer lugar, calcularemos la resistencia de entrada del amplificador mostrado en la figura 71. Para ello: 1) Sustituimos el transistor por el modelo de pequeña señal introducido en el subapartado 3.5. El resultado está mostrado en la figura 73. Figura 73. Circuito de amplificación basado en JFET Figura 73 VDD + – Para analizar el amplificador, sustituimos el JFET por su modelo de pequeña señal. Modelo del JFET R1 Rg RD D C1 G C2 gmvgs S R1 R2 vi (t) vo (t) C3 RS 2) Una vez que ya tenemos el circuito de pequeña señal, realizamos su análisis en alterna, es decir para señales de baja frecuencia que no sean de continua. Condensadores cortocircuitados Para llevar a cabo el análisis en alterna: a) Ponemos las fuentes de continua a cero. b) Cortocircuitamos los condensadores, ya que se han elegido de un valor tal que a frecuencias intermedias su impedancia es muy baja. Podéis ver el resultado de estas operaciones en la figura 74. Es habitual en circuitos de amplificación elegir los condensadores con un valor tal, que a la frecuencia de la señal de entrada tenga una impedancia tan baja que se puedan considerar como cortocircuitos. Figura 74. Circuito amplificador lineal del JFET Modelo del JFET Rin Rg D G vi (t) Figura 74 R1 R2 gmvgs RD R1 vo (t) Circuito amplificador basado en JFET en el que se ha sustituido el transistor por su modelo de pequeña señal alrededor de un punto de operación. Para realizar el análisis en alterna ponemos las fuentes de tensión continua a cero y cortocircuitamos los transistores. El resultado es el circuito lineal de la imagen. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 128 3) Ahora calcularemos la resistencia de entrada, Rin , que vemos indicada en la figura 74. Como veis, la resistencia de entrada es tan sólo la asociación en paralelo de R1 y R2 , es decir: Rin = R1 R2 R1 + R2 (214) que no depende de ningún parámetro del dispositivo, tan sólo de las resistencias del circuito de polarización. En cambio, el circuito amplificador basado en BJT en emisor común considerado en el subapartado 2.4.1 ofrecía una resistencia de entrada dada por: Rin.BJT = R1 //R2 //βre (215) que depende explícitamente del tipo de dispositivo utilizado a través del parámetro β. De esta forma, es más sencillo lograr resistencias de entrada altas para amplificadores basados en JFET, ya que su valor sólo depende de resistencias seleccionables por nosotros. En estos subapartados hemos introducido la física del transistor JFET, su modelo de pequeña señal y un ejemplo de su uso en un circuito de amplificación. A continuación, vamos a estudiar el otro tipo de transistor de efecto de campo, el MOSFET. 3.6. El FET de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) Para finalizar el módulo de transistores, vamos a ver otro gran grupo de transistores de efecto de campo: los transistores MOSFET. Existen dos tipos de transistores MOSFET: • los MOSFET de acumulación o enriquecimiento y • los MOSFET de deplexión o empobrecimiento. Ambos dispositivos poseen un modo de funcionamiento muy similar y nos centraremos en este módulo en el primero de ellos, el de acumulación. Describiremos su estructura física y el principio de funcionamiento. Así como los transistores BJT y JFET se utilizan ampliamente en el campo de la amplificación, los transistores MOSFET se utilizan sobre todo en el diseño de circuitos digitales. Éste será precisamente el ejemplo de aplicación de los transistores MOSFET que veremos después de describir la estructura y el principio de funcionamiento de los mismos. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 129 3.6.1. El MOSFET de acumulación El modo de funcionamiento electrónico de los transistores JFET y MOSFET es muy parecido. En ambos casos, se trata de regular el canal que se forma entre dos terminales y por donde circula corriente mediante la aplicación de tensión en un tercer terminal que recibe el nombre de puerta. Este canal, en caso de existir, permite que haya una corriente ID de portadores que entran por la fuente y salen por el drenador. De la misma forma que el caso del JFET, se trata de electrones para un semiconductor de tipo N y huecos para uno de tipo P. Por lo tanto, se trata también de un dispositivo unipolar. En la figura 75, podéis ver la estructura básica de un transistor de tipo MOSFET. Figura 75. Estructura del transistor MOSFET D Contactos Estructura física y de dopaje de los transistores de tipo MOSFET N P G S Figura 75 SS Contacto N Capa aislante Inicialmente, se parte de un bloque de material semiconductor dopado de tipo N o de tipo P. En la figura 75, podéis ver el caso en el que se parte de un material de tipo P. En la parte derecha de ese bloque, se ve cómo se ha creado un contacto y aparece una conexión que recibe el nombre de terminal de sustrato (substrate, SS). Además, la figura 75 muestra cómo aparecen dos zonas de material con un dopaje contrario al del bloque usado como soporte inicial. De esta forma, si el bloque es de tipo P, se han generado dos islas de tipo N mientras que, si el material es de tipo N, se generarán dos zonas de tipo P. Sobre cada una de estas zonas se dispone un contacto que da lugar a los terminales de fuente (S, source) y drenador (D, drain). Por lo tanto, vemos que estas dos zonas constituyen dos uniones PN enfrentadas, como ha ocurrido en las estructura de todos los transistores que hemos visto en estos apartados. Ahora, como se observa en la figura 75, en la zona de separación entre la El angstrom fuente y el drenador se dispone de una fina capa aislante con un espesor que oscila entre los 20 y los 200 angstroms, Å. Aunque se investiga el uso de otros aislantes, en la mayoría de ocasiones suele ser dióxido de silicio (SiO2 ). Sobre El angstrom es una unidad de longitud que equivale a 10–10 m. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 130 esta capa de aislante, se forma un contacto que se corresponde al terminal denominado de puerta, (G, gate). De esta construcción, se puede deducir que el terminal de puerta no toca directamente al semiconductor, ya que entre ellos hay una capa de material aislante. Por este motivo, a los MOSFET también se les denomina transistores FET de puerta aislada, IGFET, (insulated gate FET)en comparación a los FET vistos en el subapartado 3.2, en los que la puerta no estaba aislada y se impedía el paso de corriente a través de ella debido a la polarización inversa en la unión PN. La parte formada por el metal, el aislante y el semiconductor que podéis ver en la figura 76 recibe de forma genérica el nombre de estructura MIS, MetalInsulator-Semiconductor, o metal-aislante-semiconductor. Como en la estructura que describimos aquí el aislante es un óxido, recibe el nombre de metalóxido-semiconductor. Y esto da el nombre MOSFET. Esta estructura será la responsable del modo de funcionamiento de los transistores MOSFET que veremos a continuación. En particular, podemos adelantar que, al haber un aislante entre la puerta y el dispositivo, los electrones no pueden circular por el terminal de puerta. Figura 76. Estructura MIS Figura 76 Estructura MIS D Representación general de una estructura de tipo MIS en la que hay un aislante entre el terminal de puerta y el dispositivo. En particular, en los dispositivos de tipo MOS ese aislante es un óxido. N P G SS Metal S N Aislante Semiconductor Los símbolos circuitales de los transistores MOSFET son los que podéis ver en la figura 77 y que se utilizan como su representante en los circuitos electrónicos. Como se observa en la figura 77, el sustrato (SS) y la fuente (S) se encuentran normalmente cortocircuitados (unidos entre sí por medio de un conductor) de tal forma que obtenemos un componente de tres terminales. Éste es el tipo de transistor más usualmente utilizado en la práctica. Fijémonos en dos detalles importantes de estos símbolos: CC-BY-SA • PID_00170129 • 131 La flecha que aparece en el terminal de sustrato siempre tiene la orientación desde el dopaje P hacia el N. Ésta es una característica típica y sirve de ayuda para recordar el símbolo de cada tipo de transistor. • Como veis en la figura 77, el terminal de puerta no está conectado al resto de terminales en el dibujo. Con esto se quiere enfatizar el hecho de que hay una capa aislante entre el terminal de puerta y el bloque de material semiconductor que impide el paso de corriente a través de este terminal. Figura 77. Símbolos circuitales de los transistores MOSFET D D SS G G S S Mosfet de acumulación de canal N D D SS G G S S Mosfet de acumulación de canal P Una vez que ya conocéis la estructura física básica de los transistores de tipo MOSFET y sus símbolos circuitales, el siguiente paso será dar unas pinceladas sobre su mecanismo de funcionamiento interno. A partir del conocimiento de este funcionamiento seremos capaces de obtener sus características I-V y su modelo de pequeña señal con el que podréis realizar el análisis de circuitos que contengan un transistor MOSFET. Una de las aplicaciones más típicas de los transistores MOSFET es su uso en circuitos digitales. Como ejemplo de aplicación de los transistores MOSFET, al final del apartado mostraremos cómo diseñar algunas puertas lógicas utilizando circuitos basados en MOSFET. Modo de funcionamiento de un MOSFET En este subapartado, vamos a dar unas breves pinceladas del modo de funcionamiento interno de un MOSFET. Cuando conozcamos de forma intuitiva su funcionamiento interno, estaremos en condiciones de intentar deducir las características I-V del dispositivo. A partir de estas características, podremos obtener su modelo eléctrico, lo que nos permitirá ejecutar el análisis de los circuitos electrónicos donde aparezca. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 132 Para llevar a cabo el estudio del modo de funcionamiento del transistor, repasemos en primer lugar a través de la figura 78 el número de variables eléctricas de las que disponemos. Figura 78. Variables eléctricas de un MOSFET Figura 78 D vDG Variables eléctricas que se utilizan para la descripción del comportamiento del MOSFET. ID vDS G IS IG S vGS Comencemos con las tensiones independientes. Debido a que se tiene que verificar la ley de Kirchhoff de voltajes, deberá ocurrir que: vGS + vDG = vDS (216) ya que si partimos del terminal de puerta, G, y volvemos otra vez a él estamos siguiendo un camino cerrado y la caída de potencial total entonces es nula. De la ecuación 216 deducimos que sólo hay dos tensiones independientes (ya que la tercera se puede calcular a partir de la ecuación 216). Habitualmente, se suele tomar como terminal de referencia la fuente, de tal forma que las dos tensiones independientes son vGS y vDS . . Las dos tensiones independientes que se utilizan para describir el comportamiento eléctrico de los MOSFET son vGS y vDS . Con respecto a las intensidades, como el terminal de puerta está aislado del resto del circuito debido a la capa de aislante, en continua: IG = 0 (217) y la aplicación de la ley de Kirchhoff de las corrientes conduce a que: ID = IS de donde sólo hay una corriente independiente, que se suele tomar ID . (218) Ved también Para saber más sobre la ley de Kirchhoff de voltajes, consultad del anexo de la asignatura. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 133 . La corriente independiente que se toma para describir eléctricamente el MOSFET es la corriente ID . Dado que el MOSFET es un dispositivo controlado por tensión, estudiaremos el efecto del cambio de las tensiones vGS y vDS en la corriente ID . Dispositivo controlado por tensión El MOSFET es un dispositivo controlado por tensión, ya que será la tensión de puerta la que controle la corriente que atraviese el dispositivo. Influencia de vGS En este subapartado, vamos a ver cómo se comporta el transistor al variar los valores de vGS mientras se mantiene vDS = 0. En primer lugar, consideraremos la situación en la que vGS = 0 y después aumentaremos este valor: • Si inicialmente hacemos que vGS = 0, entonces estaremos en ausencia de excitación externa. En tal caso, no circulará corriente eléctrica por el dispositivo al estar ambas uniones en su situación de equilibrio y, por lo tanto, la unión de drenador estará polarizada en inversa. En consecuencia, ID = 0. • A continuación, aumentemos el valor del potencial de puerta, vGS . Como muestra la figura 79, aparece un campo eléctrico entre el terminal de puerta y el de sustrato, vGS , debido a que ambas placas se comportan como un condensador. Figura 79. Efecto de una tensión vGS > 0 D N + VGS S Creación de un campo eléctrico dentro del dispositivo a consecuencia de aplicar una tensión vGS > 0. P – G + – Figura 79 SS r N E Fuerza eléctrica El campo eléctrico que aparece lleva a los electrones libres del bloque semiconductor a la zona de puerta mientras que aleja a los huecos hasta la zona del sustrato, como aparece en la figura 80. Recordad que la fuerza eléctrica está dada por ~F = q~E, donde ~E representa el campo eléctrico y q la carga que sufre el efecto del campo. Entonces, si q < 0, como les pasa a los electrones, la fuerza eléctrica posee sentido contrario al campo. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 134 Figura 80. Desplazamiento de los portadores cuando vGS > 0 Figura 80 D VGS + – + + G + + + + S N P – – – – – – E r – + + + + + + + – – – – – – SS Movimiento de los portadores de carga, que son los electrones, cuando se aplica una tensión vGS > 0. Los electrones se dirigen a la puerta y quedan acumulados allí. N Electrones Huecos Las cargas quedan detenidas en estas posiciones debido a que por la puerta no puede circular corriente al encontrarse aislada. Para valores pequeños de esa tensión, la acumulación de cargas será pequeña, pero a partir de un cierto valor umbral de tensión (threshold en inglés), vGS ≥ vGST , la acumulación de electrones se hará lo suficientemente importante como para que su efecto sea semejante al de tener una zona N. Es decir, diremos que se formará un canal de tipo N que unirá los terminales de drenador y fuente como ilustra la figura 81. Figura 81. Formación de un canal de tipo N Figura 81 Canal tipo N formado D VGS + – N + + G + + + + S – – – – – – P r E – + + + + + + + – – – – – – SS N Electrones • Los electrones que se acumulan en el lado de la puerta forman un canal que permite la conducción entre los terminales de fuente y drenador. Huecos Finalmente, si utilizamos tensiones vGS < 0, entonces ocurrirá el mismo fenómeno de acumulación de cargas, pero ahora se tratará de huecos en la puerta y electrones en el sustrato. Por lo tanto, la unión PN del drenador estará más inversamente polarizada y el dispositivo se encontrará en corte sin que exista un canal por donde circulen los portadores. En la figura 82, podéis ver reflejada esta situación. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 135 Figura 82. Localización de huecos y electrones cuando vGS < 0 No hay canal D VGS – + N – – G – – – – S + + + + + + Figura 82 P r E + – – – – – – – + + + + + + SS N Huecos Electrones A modo de conclusión, la aplicación de una tensión vGS positiva externa es un elemento imprescindible para la formación del canal y, por lo tanto, estos dispositivos también van a necesitar de un circuito de polarización para permitir ese paso de corriente. Una vez que el transistor está polarizado con un valor positivo de vGS , veamos cómo influye el valor de vDS . Influencia de vDS En este subapartado, vamos a estudiar la influencia de vDS para valores positivos de vGS . En estos razonamientos supondremos que vGS ≥ vGST (es decir, la tensión puerta-fuente es suficientemente alta) y, por lo tanto, se ha formado un canal de tipo N en el transistor. Empezaremos por valores pequeños de vDS y los aumentaremos poco a poco: • Cuando el potencial vDS es relativamente bajo, se originará una corriente eléctrica ID que atraviesa el canal. Al aumentar la tensión, vGS aumenta la anchura del canal y puede haber una mayor corriente para un valor de tensión fijado de vDS . En la figura 83, podéis ver los canales generados para dos valores de tensión vGS1 < vGS2 y cómo aumenta para valores más grandes de vGS . Por lo tanto, habrá una relación proporcional entre la tensión vDS e ID y para valores bajos de vDS , lineal. Es decir, el dispositivo se comporta como una resistencia lineal cuyo valor dependerá de la anchura del canal y por lo tanto del valor de la tensión de puerta vGS . De esta forma, hemos deducido a partir de consideraciones físicas la relación que existe entre la tensión y la corriente aplicada. Pero ¿la corriente puede aumentar de forma indefinida por la aplicación de la tensión vDS ? Cuando la tensión vGS < 0, los electrones y huecos se mueven de tal forma que se produce acumulación de huecos entre los terminales de drenador y fuente. Así, los electrones no pueden circular entre ellos y no hay corriente eléctrica a través del dispositivo. Se dice entonces que está en corte. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 136 Figura 83. Cambio en la anchura del canal con vGST Figura 83 ID D N Modificación de la anchura del canal en función de los valores de vGS . A medida que vGS aumenta, el canal se hace más grande. P vGD G vGS1 + – S SS + vDS – SS + vDS – N ID D N P vGD G vGS2 + – • S N A continuación, aumentamos el valor de vDS y consideremos de nuevo el comportamiento de las tensiones. La tensión vDS se puede calcular como: vDS = vGS – vGD (219) Como vDS > 0 esto implica que vGS > vGD y, por lo tanto, la anchura del canal será más pequeña en el lado del drenador que en el de la fuente tal como muestra la figura 84. Figura 84. Diferencias de anchura en el canal debido a las diferentes tensiones La aplicación de una tensión vDS provoca que el canal sea más estrecho por el drenador que por la fuente. Más estrecho ID D N P vGD G vGS+ – S SS N Figura 84 + v – DS CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 137 Tal como vimos en el caso del JFET en el subapartado 3.3, para valores pequeños de vDS , este estrangulamiento del canal no será muy importante, pero a medida que la tensión vDS aumente, el estrechamiento empezará a ser importante como se ve en la figura 85. Figura 85. Estrangulamiento del canal con la tensión vDS ID D N P vGD G vGS+ – S SS + v – DS1 SS + v – DS2 SS + v – DS,sat N ID D N P vGD G vGS+ – S N ID D N P vGD G vGS+ – S N • Cuando vDS alcance una tensión de saturación vDSsat , el canal se habrá cerrado por completo. A partir de ese instante, la corriente ID permanecerá igual a un valor constante independientemente del valor de vDS , que será mayor que vDSsat . Es importante recalcar que la corriente no se anula al cerrarse el canal, ya que, si ello sucediese, el drenador y la fuente estarían al mismo potencial, lo que implicaría que vGS y vDS serían iguales y por lo tanto el canal no Figura 85 Al aumentar vDS , el canal se estrecha más en la zona del drenador. Llega un momento en el que el canal se ha estrechado tanto que se produce un estrangulamiento. En las figuras a, b y c se aprecia cómo se estrecha hasta que se estrangula. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 138 presentaría estrangulamiento, lo cual es una contradicción. Por lo tanto, el estrangulamiento no sólo es compatible con el paso de una corriente eléctrica, sino necesario. . El valor de tensión vDSsat define la tensión a partir de la cual la corriente ID permanece constante. Si vDS fuera negativo, entonces la corriente ID discurriría en sentido contrario, pero el razonamiento físico seguiría siendo válido. Lo que ocurriría ahora es que el estrangulamiento se produciría en el lado de la fuente en lugar de en el drenador. Para valores más grandes de vGS , ocurrirían los mismos fenómenos que hemos expuesto, pero con valores más grandes de la intensidad de drenador, ya que al aumentar vGS el canal se hace más ancho y favorece el paso de corriente. Relación I-V del MOSFET de acumulación En el subapartado anterior, habéis conocido el comportamiento básico del transistor MOSFET. A partir de las consideraciones hechas en ese subapartado, ya podemos construir las curvas características del dispositivo de la misma forma que procedimos para las del JFET en el subapartado 3.3 y que dan lugar a la figura 86. Figura 86. Características intensidad-tensión del MOSFET de acumulación Curvas características del MOSFET de acumulación junto a sus diferentes regiones de funcionamiento: corte, lineal, saturación y ruptura. Zona ruptura Zona lineal Zona saturación ID vGS = 6V vGS = 5V vGS = 4V vGS = 3V p vDS Vr vDS,sat = vGS – VT Zona corte Figura 86 CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 139 Como podéis ver en la figura 86, las curvas para diferentes valores de vGS son las mismas, pero desplazadas hacia arriba. También aparece marcado en la figura 86 que existen cuatro regiones de funcionamiento, de la misma forma que para el JFET del subapartado 3.3.3. . Las regiones de operación de un MOSFET son las siguientes: 1) zona de corte, 2) zona óhmica o lineal, 3) zona de ruptura, 4) zona de saturación o corriente constante. Las tres primeras zonas tienen un comportamiento semejante al descrito en el subapartado 3.3.3 para el JFET y por ello no se van a tratar aquí. Sin embargo, merece la pena detenerse un poco más en la región de saturación y conocer la dependencia entre la tensión de puerta aplicada y la corriente que pasa a través del dispositivo. Zona de saturación En este subapartado, vamos a plantear la relación que existe entre la corriente de drenador ID y la tensión vDS en la región de saturación. El transistor se encuentra en la zona de saturación cuando: vDS > vDSsat (220) En esta zona, el transistor se comporta como una fuente de corriente controlada por tensión. Se puede demostrar que la relación entre la tensión aplicada y la corriente medida está dada por: ID = K(vGS – vGST )2 (221) donde K es una constante que depende del dispositivo. Podemos utilizar esta ecuación para establecer el comportamiento eléctrico del transistor en esta región. Para conseguir que el MOSFET se encuentre en una región u otra, es necesario recurrir a circuitos de polarización, como es habitual en todo el desarrollo que hemos hecho en este módulo. Veamos, a continuación, un ejemplo de circuito de polarización. Circuitos de polarización para MOSFET En la figura 87, podéis ver la forma en la que los transistores MOSFET se deben polarizar para trabajar en aplicaciones de amplificación, tanto para el caso de canal N como para el caso de canal P. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 140 Figura 87. Circuitos de polarización para el MOSFET de acumulación MOSFET de canal P a. Canal N b. Canal P ID ID D G VGG + – D vDS S vGS + V – – DD VGG + vDS G vGS S – VDD + El MOSFET de canal P tiene un funcionamiento similar al de canal N y, para obtener sus ecuaciones características, tan sólo habría que cambiar el sentido de las corrientes y de las tensiones. Como podéis apreciar en la figura 87, el transistor de canal N se polariza utilizando una tensión positiva entre drenador y fuente, vDS > 0, y otra positiva entre puerta y fuente, vGS > 0. De este modo, la corriente ID circulará del drenador a la fuente, como indica la corriente dibujada en la figura 87a. Para el caso del transistor de canal P, tan sólo deberemos cambiar las polaridades de las fuentes para obtener una polarización entre drenador y fuente negativa, vDS < 0, al igual que entre puerta y fuente, vGS < 0. Fijaos en cómo se ha generado el circuito de polarización para el transistor de canal P: a través de la regla de cambio de polaridades de las fuentes. Éste es un procedimiento general que sirve para extender a transistores de canal P los resultados que hemos obtenido a lo largo de estos subapartados para el caso de canal N. Por otro lado, como hemos visto en los subapartados 2.1.1 y 3.4.1, es conveniente incluir resistencias que ayuden a mantener la estabilidad del punto de trabajo frente a variaciones en los parámetros del transistor. Por este motivo, una de las topologías de circuitos más usadas vuelve a ser la del tipo divisor de tensión mostrada en la figura 88. Figura 88. Circuito de polarización por división de tensión para el MOSFET + – RD R1 ID D G IS R2 S RS VDD Punto de trabajo del MOSFET El punto de trabajo de un MOSFET está descrito por las variables Q = (vGS ,ID ,vDS ). CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 141 El análisis del punto de trabajo del transistor en este circuito se lleva a cabo de un modo semejante al realizado en los subapartados 2.1.2 para el BJT y 3.4.1 para el JFET y por este motivo no nos detendremos con detalle en este punto. No obstante, veremos en el siguiente ejemplo cómo realizar su cálculo. Ejemplo 14 Calculad el punto de trabajo del MOSFET de canal N del circuito de la figura 88 para los siguientes valores de los parámetros: • • • • VDD = 15 V R1 = 150 kΩ y R2 = 100 kΩ RD = 40 kΩ y RS = 5 kΩ La constante característica del MOSFET es K = 10 µA/V2 y VGST = 1 V Solución Como hacemos siempre que usamos una topología por división de tensión, en primer lugar calcularemos el equivalente Thévenin del circuito de entrada mostrado en la figura 89a. Figura 89. Parte del circuito para sustituir por su equivalente Thévenin a. Figura 89 b. + – VDD R1 + V – DD RD RD ID ID D R1 G IS R2 S + – RS Equivalente Thèvenin D G IS VDD R2 S RS Equivalente Thèvenin El resultado es el circuito equivalente mostrado en la figura 90, con unos valores equivalentes de: RTh = R1 R2 = 60 kΩ R1 + R2 (222) R2 =6V R1 + R2 (223) VTh = VDD Ahora podemos seguir con el cálculo del punto de operación a través de los siguientes pasos: 1) Aplicamos la segunda ley de Kirchhoff a la malla de entrada de la figura 90 y obtenemos: VTh = IG RTh + vGS + IS RS (224) Como es habitual, buscaremos el equivalente Thévenin del circuito de entrada. En particular, buscaremos el equivalente Thévenin de los elementos en el recuadro discontinuo de a que representamos de una manera más conveniente en la figura b para el cálculo del equivalente Thévenin. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 142 Figura 90. Circuito equivalente Thévenin VDD + – Malla D salida RTh + – IG Circuito de polarización por división de tensión en el que el circuito de entrada se ha sustituido por su equivalente Thévenin. ID RD VTh Figura 90 S G IS RS Malla entrada 2) Dado que IG = 0 y, por lo tanto, IS = ID , podemos escribir la ecuación 224 como: VTh = vGS + ID RS (225) 6 = vGS + 5000ID (226) La ecuación 226 contiene dos incógnitas, vGS e ID . Para poder despejar ambas, necesitamos otra ecuación. 3) La ecuación que utilizaremos será la 221, que relaciona ambas variables en la región de saturación: ID = K(vGS – vGST )2 (227) Las ecuaciones 226 y 227 forman un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas que permite encontrar el valor de ambas. Para ello, sustituimos el valor de ID dado por la ecuación 227 en 226 y resolvemos la ecuación cuadrática correspondiente. Sus soluciones son las siguientes: vGS1 = –22,45 V (228) vGS2 = 4,45 V (229) Como vGS debe ser un valor positivo, la solución con la que nos debemos quedar es la segunda, vGS = 4,45 V. Con este valor podemos calcular ID : ID = K(vGS – vGST )2 (230) ID = 10–5 (5,14 – 1)2 = 1,19 · 10–4 A (231) 4) Sólo nos queda calcular el valor de vDS . Para ello, aplicamos la ley de Kirchhoff de voltajes a la malla de salida: VDD = IS RS + vDS + ID RD (232) vGS vGS debe ser positivo ya que, en caso contrario, no se formaría un canal en el dispositivo entre los terminales de fuente y drenador. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 143 5) Si ahora hacemos en la ecuación 232 que la corriente de fuente sea igual que la de drenador, IS = ID , podemos despejar el valor de vDS : vDS = VDD – ID (RD + RS ) (233) vDS = 15 – 1,7 · 10–4 (40.000 + 5.000) = 9,64 V (234) Por lo tanto, el punto de operación está dado por: Q = (vDS = 7,28 V,ID = 1,7 · 10–4 A) (235) Como veis, el procedimiento de cálculo del punto de operación es muy parecido en todos los tipos de transistor. Una vez estudiados los transistores de acumulación, haremos un breve comentario de la otra gran familia de transistores de tipo MOSFET: los de deplexión. 3.6.2. El transistor MOSFET de deplexión En este subapartado, vamos a ver brevemente cómo es la estructura física de un transistor MOSFET de deplexión. En la figura 91, podéis ver que se trata de una estructura totalmente similar a la del caso del transistor MOSFET de acumulación mostrado en la figura 79 salvo por una importante diferencia: en este caso, el canal N se encuentra incorporado en el dispositivo de fabricación. Figura 91. Estructura de un transistor MOSFET de deplexión Estructura física y dopaje de las diferentes partes de un transistor MOSFET de deplexión. En este caso, el canal N está incorporado de fabricación. Canal incorporado D N S P SS G Figura 91 N Por lo tanto, existe una conexión de fabricación entre los terminales de drenador y fuente. En la figura 92, podéis ver cuáles son los símbolos circuitales más utilizados para denotar el transistor MOSFET de deplexión. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 144 Figura 92. Símbolos del transistor MOSFET de deplexión D Figura 92 D Símbolos circuitales internacionales para el transistor MOSFET. SS G G S S Mosfet de deplexión de canal N D D SS G G S S Mosfet de deplexión de canal P Como podéis ver en la figura 93, el símbolo de los MOSFET de deplexión es muy parecido al de los MOSFET de acumulación. La diferencia entre ellos estriba en que, en lugar de haber una línea discontinua entre los terminales de drenador y fuente, hay una línea continua que representa el hecho de que en los transistores de deplexión ya existe el canal por fabricación. Figura 93. Comparación de los símbolos de los MOSFET de deplexión y acumulación Línea discontinua D D Línea continua D G G S Mosfet de acumulación de canal N D G S Mosfet de deplexión de canal N S D D S D SS SS G D SS SS G Figura 93 G G S Mosfet de acumulación de canal P S G S Mosfet de deplexión de canal P S Como ya hemos indicado al hablar de la figura 92, la estructura física del transistor MOSFET de deplexión es muy parecida a la del de acumulación y, en consecuencia, su principio básico de funcionamiento también será muy similar. Por lo tanto, no lo vamos a estudiar aquí. Diferencia entre los símbolos circuitales de los MOSFET de acumulación y deplexión. La diferencia estriba en la línea continua o discontinua que une los terminales de drenador y fuente. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 145 De esta forma, ya hemos terminado la introducción al comportamiento de los transistores y sus curvas y características de funcionamiento. A continuación, vamos a ver una aplicación de la tecnología MOSFET al diseño de circuitos digitales, que es uno de sus mayores campos de utilización hoy en día. 3.7. Circuitos MOSFET digitales La tecnología de transistores MOSFET es la más ampliamente utilizada en el Circuito integrado diseño de circuitos digitales integrados, especialmente en aquellos casos en los que se exige integrar en una superficie semiconductora dada una gran cantidad de transistores. De este modo, la tecnología de transistores de tipo MOS (metal-óxido-semiconductor) ha desplazado a la tecnología basada en BJT con Un circuito integrado es un circuito que implementa el mayor número de componentes electrónicos en el menor tamaño posible. el paso de los años. A modo de ejemplo, a finales de la década de 1990 del siglo pasado, el 88 % del mercado de circuitos integrados estaba basado en transistores de tecnología MOS, mientras que el 8 % se basaba en transistor bipolar y el 4 % restante estaba basado en dispositivos optoelectrónicos de tecnología de semiconductores compuestos, como arseniuro de galio. Si los MOSFET utilizados para construir el circuito integrado son de canal N, se dice que la tecnología es del tipo N-MOS mientras que, si son de canal P, hablamos de P-MOS. Si se utilizan a la vez transistores de tecnologías N-MOS y P-MOS se dice que la tecnología utilizada es CMOS (nomenclatura que viene de MOS complementaria). Existen diferentes motivos tanto tecnológicos como económicos que hacen más recomendable el uso de una tecnología u otra según la aplicación y las condiciones. A modo de ejemplo, se podría decir que las tecnologías se diferencian en los aspectos siguientes: • Semiconductores compuestos Se llaman semiconductores compuestos a aquellos materiales compuestos que son semiconductores. El arseniuro de galio es uno de ellos ya que, para ser semiconductor, necesita la composición de ambos, arsénico y galio, en contraposición al silicio o al germanio que son semiconductores en sustancia pura. La ventaja de la tecnología P-MOS es que es muy sencillo el diseño y la fabricación de los circuitos. • La familia N-MOS permite una densidad de integración más grande, es decir, se puede fabricar un número mayor de transistores en la misma superficie que utilizando tecnología P-MOS. • La familia tecnológica de las CMOS es de las más rápidas y de las que menos energía consume, pero tiene en su contra que el diseño y la fabricación son más complicados y, por lo tanto, es la familia que resulta más cara de fabricar y de diseñar. Nuestro objetivo en este subapartado es ver cómo se pueden sintetizar funciones digitales utilizando transistores MOSFET. Sin embargo, antes de empezar, recordaremos unos conceptos básicos sobre electrónica digital. A continuación, veremos cómo sintetizar las puertas lógicas más importantes, NOT y NAND, utilizando, a modo de ejemplo, tecnología N-MOS. Las funciones lógicas Las funciones lógicas más importantes son la NOT y la NAND debido a que forman un conjunto completo de funciones, es decir, un conjunto de funciones que permite la descripción de cualquier función lógica. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 146 3.7.1. Conceptos de electrónica digital En este subapartado, vamos a resumir brevemente algunos conceptos básicos Circuitos digitales sobre electrónica digital antes de pasar a la realización de las puertas lógicas mediante transistores MOSFET. Los circuitos digitales presentan dos posibles entradas. Ambas entradas reciben el nombre de 0 lógico y 1 lógico. Los circuitos digitales se denominan también circuitos binarios dado que sólo trabajan con entradas de dos valores diferentes. Estos dos valores simbólicos, (0, 1), están asociados a dos valores de tensión concretos. En todo lo que sigue, supondremos que el 0 lógico corresponde a una tensión de 0 V (cero voltios) y el 1 lógico corresponde a una tensión alta (por ejemplo, la tensión de alimentación del circuito digital, VDD ). Por lo tanto, lo que procesa el circuito, y que será la entrada al transistor MOSFET, será una señal de tensión que toma valores únicamente de 0 V y de VDD V. Estos dos valores de tensión provocan que el MOSFET tenga un comportamiento como interruptor: el transistor cambia de modo de operación entre los estados de corte y de saturación. Ésta es la característica básica del MOSFET funcionando en un circuito digital. Si la tensión de entrada tiene un valor intermedio entre estas dos, el circuito digital interpretará o un valor de 0 o de 1 en función del umbral permitido para cada valor. Los cambios en la tensión de entrada provocarán un cambio en la tensión de salida que también tomará únicamente valores de 0 V y VDD V. Dado que hemos llamado simbólicamente a estas tensiones 0 y 1 respectivamente, lo que está haciendo el circuito es poner un valor de 0 o 1 a su salida ante un valor concreto (de 0 o 1) a su entrada. Una forma de describir cómo es la salida del circuito ante cualquier valor de entrada es por medio de una tabla de verdad. La tabla de verdad contiene la salida del circuito para cualquier valor posible de la entrada. Veamos con dos ejemplos en qué consiste una tabla de verdad. Utilizaremos los casos de las puertas NOT y NAND: 1) Consideremos la función lógica NOT. Esta función tiene una única variable de entrada y la operación que ejecuta es intercambiar su valor. De esta forma, si a la entrada hay un 0, coloca a la salida un 1 y viceversa: si hay un 1 a la entrada, entonces coloca a la salida un 0. En la figura 94, podéis ver el símbolo circuital de la función NOT y, en la tabla 4, tenéis la tabla de verdad de esta función. Figura 94. Símbolo circuital de la puerta NOT Figura 94 Símbolo de la puerta lógica NOT que se utiliza en electrónica digital. Entrada Salida CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 147 Tabla 4. Tabla de verdad de la función NOT entrada salida 0 1 1 0 Como veis en la tabla 4, ésta cuenta con dos columnas. En una de ellas, están colocadas todas las opciones de valores de entrada, que en este caso sólo son dos: 0 y 1. En la otra columna, está el valor de la salida, para cada una de las entradas que, como veis, se invierte con respecto al de entrada. La tabla 4 es la tabla de verdad de la función NOT. 2) Ahora veremos en qué consiste la puerta NAND. La puerta NAND es una puerta que admite dos señales como entrada (que llamaremos A y B) y, en función de sus valores, ofrece una señal a la salida (que llamaremos S). En la figura 95, está su símbolo circuital mientras que podéis ver su tabla de verdad en la tabla 5. Figura 95. Símbolo circuital de la puerta NAND Figura 95 Símbolo de la puerta lógica NAND que se utiliza en electrónica digital. Entrada 1 (A) Salida (S) Entrada 2 (B) Tabla 5. Tabla de verdad de la función NAND A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Como veis en la tabla 5, las dos primeras columnas recogen todas las posibilidades de entradas binarias que puede haber. En este caso, al haber dos variables, son cuatro. En la última columna, podéis ver la salida que ofrece esta puerta para cada combinación de variables de entrada. Debemos tener presente que los valores de 0 y 1 corresponden en realidad a los valores de tensión de 0 y VDD voltios respectivamente y que 0 y 1 son sólo sus representaciones simbólicas. Lo que haremos a continuación será ver cómo se pueden sintetizar estas dos puertas (NOT y NAND) mediante circuitos basados en MOSFET. El circuito que planteemos deberá comportarse siguiendo la tabla de verdad correspondiente. Como se ha indicado en la introducción del subapartado 3.7, esta elección no es casual: las puertas NOT y NAND permiten sintetizar cualquier función Posibilidades binarias Si se tienen un conjunto de n variables binarias, existe un total de 2n combinaciones distintas. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 148 lógica. Por lo tanto, mediante los circuitos que describen estas puertas seremos capaces de sintetizar cualquier otro. No obstante, no nos detendremos aquí en ver cómo expresar cualquier función lógica por medio de las operaciones NOT y NAND. Esto se reserva para la electrónica digital. Comenzaremos por la puerta NOT y proseguiremos con la NAND. 3.7.2. Puerta NOT En este subapartado, vamos a ver cómo implementar una puerta NOT, es decir una negación o inversión de la señal mediante el transistor MOSFET de acumulación de canal N. Para el caso de MOSFET de canal P, sería todo igual salvo que la señal de alimentación VDD sería negativa. El circuito inversor o puerta NOT está representado en la figura 96. La señal de entrada está dada por vi , mientras que la salida está etiquetada mediante vo . Figura 96. Puerta NOT fabricada con MOSFET de acumulación de canal N Señales vi y vo Las señales de entrada y salida reciben esos nombres por input y output respectivamente. VDD + – Figura 96 RD F vo A vi También se puede observar en la figura 96 cómo aparece una fuente de alimentación continua dada por VDD . Por lo tanto, para este circuito: • Una señal de tensión nula se corresponde con un 0 lógico. • Una señal de tensión de valor VDD se corresponde a un 1 lógico. Lo que haremos ahora es analizar cómo se comporta el circuito de la figura 96 cuando a la entrada ponemos un 0 lógico y un 1 lógico y ver si realmente sigue su tabla de verdad dada por la tabla 4: • Si en la entrada vi no le aplicamos tensión, es decir, hay un 0 lógico, entonces vGS = 0 y no se formará el canal. En consecuencia, no circulará corriente Circuito construido a base de transistores NAND que realiza la operación correspondiente a la puerta NOT. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 149 a través del transistor. Si no circula corriente, ID = 0, y en la resistencia RD no caerá ninguna tensión, ya que está colocada en serie con el transistor. Por lo tanto, la tensión que se registre en vo será de VDD . Es decir, tendremos como salida un 1 lógico. • Si, por el contrario, la tensión que le aplicamos a la entrada está cercana a VDD , es decir, se trata de un 1 lógico, entonces vGS será positivo e igual a VDD . Por lo tanto, vGS será lo suficientemente grande y se formará un canal en el transistor. En consecuencia, circulará corriente por él y caerá potencial en la resistencia RD . Si esta resistencia tiene un valor lo suficientemente alto para que caiga mucho potencial en ella, entonces casi todos los VDD voltios caerán allí y en vo se registrarán 0 V, que se corresponde a la señal de un 0 lógico. Es decir, el circuito de la figura 96 invierte la entrada, satisface la tabla de verdad 4 y se comporta como una puerta NOT. La clave del funcionamiento de la puerta NOT, como podéis deducir de este análisis que acabamos de llevar a cabo, es que el transistor conmuta de un estado de corte a un estado de conducción (en la región de saturación) y viceversa. Esta conmutación es la que permite sintetizar la puerta NOT y representa el comportamiento general de los transistores en circuitos lógicos. No obstante, como sucede habitualmente, no todo es perfecto. El circuito funciona, pero el valor de RD debe ser elevado y esto es un problema. Uno de los retos de la electrónica digital de hoy en día es integrar los componentes en tamaños cada vez menores y, por desgracia y pese a lo que podría parecer, es mucho más simple integrar un MOSFET entero que una resistencia. Es enormemente costoso hacer grandes resistencias en tamaños pequeños. ¿Qué solución tenemos para este problema? Como hemos mencionado en el subapartado 3.3.3, el MOSFET se puede comportar como una resistencia si trabaja en la región lineal u óhmica. Entonces, una posible solución sería integrar un transistor trabajando en su región lineal en lugar de esa resistencia de valor elevado. Veamos en el siguiente subapartado cómo quedaría el circuito en ese caso. 3.7.3. Puerta NOT real En este subapartado, vamos a partir de la puerta NOT representada en la figura 96 y vamos a sustituir la resistencia RD que aparece en él por otro transistor MOSFET. Así, será más sencilla la fabricación del circuito resultante. El resultado de esta sustitución está en la figura 97. Como podéis ver en la figura 97, tenemos ahora dos transistores N-MOS (denominados T1 y T2). El transistor T2, que actuará como carga activa, presenta la puerta (G) conectada con el drenador (D) y los dos a su vez conectados a la tensión de alimentación que, según indica la figura, es VDD . Analicemos el Carga activa Se le denomina carga activa debido a que desempeña el papel de una resistencia (es decir, una carga), pero se implementa por medio de un componente activo, un transistor. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 150 funcionamiento del circuito para ver si se comporta como una puerta NOT, es decir, si responde a la tabla de verdad dada por la tabla 4. Comprobaremos cuál es la salida del circuito para las dos posibles entradas de 0 y 1 lógicos: 1) Supongamos que aplicamos a la entrada la señal de un 0 lógico (0 V). El transistor T1 estará en zona de corte, ya que vGS1 = 0, y equivale a una resistencia de valor muy alto. Podemos decir que prácticamente no circulará corriente por el drenador de T1, ID1 = 0,(ni tampoco por el de T2, ID2 = 0, ya que están conectados en serie). Subíndices vGSi Los subíndices i = 1,2 en las variables que utilicemos en este subapartado hacen referencia a los transistores T1 y T2 respectivamente. Figura 97. Puerta NOT fabricada con dos MOSFET VDD + – D G T2 S D A G F Figura 97 Esquema que representa cómo se implementaría una puerta NOT realmente en un circuito integrado. La resistencia se sustituye por otro transistor MOSFET completo. vo T1 S vi Sin embargo, esto no nos permite determinar directamente la tensión de salida, ya que T2 también podría estar en la zona de corte y en tal caso la tensión de salida sería un divisor de tensión entre dos resistencias de alto valor. Por otro lado, podría estar en zona lineal y, entonces, se comportaría como una resistencia de bajo valor. En cada caso, el valor de la tensión de salida vo cambiaría. Para ver la situación real de T1, supondremos tanto una opción como la otra y veremos cuál de las dos nos lleva a un resultado incoherente. De esta manera, podremos determinar cuál es la situación real de T2. Plantearemos dos suposiciones: que T2 está en la zona de corte y que T2 está en la zona lineal. Y veremos entonces cuál de las dos da un resultado incompatible con la hipótesis de que la corriente de drenador es cero en ambos transistores: a) Supongamos que T2 está en la zona de corte. Entonces, la corriente por el drenador es nula, es decir, ID1 = 0. En este caso, ambos MOSFET se comportan como resistencias de alto valor y podemos afirmar lo siguiente: Un procedimiento habitual En muchos campos de la ingeniería, es habitual operar como veremos en este ejemplo: se entabla una hipótesis de trabajo y se verifica si es correcta. En el caso de que no lo sea, se hace una nueva suposición y se analiza. Un ejemplo de este método ya lo visteis al analizar circuitos con diodos en el módulo “El diodo. Funcionamiento y aplicaciones”. CC-BY-SA • PID_00170129 • 151 La tensión en el terminal de fuente de T2, que coincide con la tensión de salida, sería aproximadamente VDD /2 (suponiendo que los dos transistores fuesen idénticos), ya que ambos se comportarían como resistencias de valor muy alto y la salida sería entonces la salida de un divisor de tensión. • En este caso, la tensión vGS2 (la existente entre la puerta G y la fuente S de T2) sería de VDD /2, ya que la puerta está conectada a VDD (vGS2 = vDS2 ) y acabamos de decir que la fuente está a VDD /2. Además, la tensión vDS2 (la existente entre D y S de T2) estará también a VDD /2. • Sin embargo, si tanto vGS2 como vDS2 están a VDD /2, el transistor no está en zona de corte, sino en zona de saturación. Basta con ver que vGS2 es mayor que cero y, por este motivo, se crea canal, además vDS2 es también positiva, con lo que tiende a circular corriente por el canal creado. Sin embargo, no puede estar en zona de saturación, ya que hemos dicho que ID2 = 0. Por lo tanto, la suposición es incorrecta: T2 no está en zona de corte. b) Supongamos ahora que T2 está en la zona lineal. Si es así, se comporta como una resistencia de bajo valor y la tensión de salida es prácticamente VDD (es decir, un 1 lógico), ya que T1 estaba en zona de corte. Vemos que la suposición es correcta, ya que, cuando T2 está en zona lineal, la corriente es prácticamente nula. En consecuencia, la tensión vDS2 es también prácticamente nula, independientemente de vGS2 , que es perfectamente coherente con la suposición que estamos haciendo y, por lo tanto, la suposición es correcta. Por lo tanto, T2 está en su zonal lineal. A modo de conclusión, si ponemos a la entrada un 0 lógico, vemos que a la salida hay un 1 lógico. 2) Analicemos a continuación qué sucede cuando ponemos a la entrada un 1 lógico. El transistor T1 tiene predisposición a conducir, ya que su tensión vGS1 (que coincide con vi ) es positiva y superior al umbral (hemos creado canal). Ahora debemos observar en la figura 97 que la puerta y el drenador del transistor T2 están unidos entre sí. Se puede demostrar que este hecho obliga a que el transistor T1 esté en su zona lineal y que, por lo tanto, se comporte como una resistencia de bajo valor y que la corriente que circula por él sea pequeña. Asimismo, también coloca al transistor T2 en su zona lineal y por lo tanto también se comporta como una resistencia. Lo que interesa es que la resistencia del transistor T2 sea muy alta. Entonces, toda la tensión VDD caería en vDS2 y la salida es de aproximadamente cero voltios, es decir, un cero lógico. Sin entrar en excesivo detalle, se puede conseguir una resistencia en la zona lineal de T2 más alta que la que ofrece T1 en su zona lineal haciendo que T2 tenga un canal más largo y estrecho que T1. En ese caso, ante una entrada de un 1 lógico, la salida sería de un 0 lógico. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 152 A modo de conclusión, este circuito se comporta siguiendo la tabla de verdad dada por la tabla 4 y se trata de una puerta NOT. De esta forma, ya hemos visto cómo diseñar utilizando MOSFET una puerta NOT. Veamos cómo implementar una puerta NAND. 3.7.4. Puerta NAND En este subapartado, vamos a ver cómo realizar una puerta NAND utilizando tecnología MOS. El circuito que implementa la puerta NAND está representado en la figura 98. Podéis ver en ella cómo aparece de nuevo la fuente de tensión constante VDD y ahora dos señales de entrada que reciben el nombre de A y B. También podéis ver un transistor que se encuentra en la parte superior de la figura. Este transistor tiene el papel de una resistencia implementada por medio de un transistor, al igual que en el subapartado 3.7.3, ya que resulta más fácil implementar transistores que resistencias en circuitos integrados. Figura 98. Puerta NAND fabricada con MOSFET Figura 98 VDD + – Esquema eléctrico que representa una puerta NAND fabricada a partir de transistores MOSFET. Transistor que juega el papel de resistencia F vo A B Debemos tener presente, al observar la figura 98, que el símbolo del MOSFET de acumulación de canal N está dado por la figura 99. Figura 99 Figura 99 D G S Fijaos en que el MOSFET que hace de carga activa en la figura 98 tiene ahora su puerta conectada a su fuente, en lugar de como pasaba en la puerta NOT, que Símbolo del MOSFET de acumulación de canal N. CC-BY-SA • PID_00170129 153 El transistor estaba conectada al drenador. La tensión de alimentación es de VDD voltios, por lo tanto: • Una señal de tensión nula se corresponde con un 0 lógico. • Una señal de tensión de valor VDD se corresponde con un 1 lógico. Analicemos el comportamiento del circuito de la figura 98. Para ello, en primer lugar, recordemos cómo es la tabla de verdad de una puerta NAND en la tabla 6. La salida es siempre 1 excepto cuando ambas entradas valen 0: Tabla 6. Tabla de verdad de la función NAND A A Salida (F) 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Analicemos ahora las cuatro posibilidades que se pueden presentar: • Si una de las dos señales, A o B, es cero (o cercana a cero). Este caso recoge las tres posibilidades correspondientes a que ambas entradas sean cero, que A = 0 y B = 1 y que B = 0 pero A = 1. Entonces el transistor (o transistores) correspondiente está en la región de corte debido a que no hay tensión aplicada entre su puerta y fuente y no se ha formado canal. Como todos los elementos están situados en serie, por ellos no circula corriente, no cae potencial en ninguno de los elementos y por lo tanto la tensión de la salida es vo = VDD . Es decir, a la salida hay un 1 lógico. • Si por el contrario ambas entradas están a 1 lógico, entonces ambos transistores se encuentran en su región de conducción y casi todo el potencial caerá en el transistor que desempeña el papel de resistencia, por lo tanto la salida será una tensión prácticamente nula, es decir de un cero lógico. De esta forma, se puede implementar una puerta NAND utilizando tecnología MOS. Con esto hemos llegado al final del módulo y disponéis de una visión general de los transistores, de su modo de funcionamiento y de sus posibles aplicaciones. 3.8. Recapitulación ¿Qué hemos aprendido? En este apartado: • Habéis conocido la estructura física de un transistor de efecto de campo (FET) en dos de sus versiones, JFET y MOSFET. Lectura complementaria Como lectura adicional, se puede consultar el libro Física de los dispositivos electrónicos de Gustavo López y José M.a García para conocer la implementación de otras puertas lógicas y otro tipo de tecnologías. En particular, también podríais ver cómo quedarían las implementaciones en tecnología P-MOS y en una de las más extendidas en el diseño de circuitos digitales en la actualidad: la CMOS. CC-BY-SA • PID_00170129 • 154 Para ellos, también habéis obtenido un modelo eléctrico sencillo de su comportamiento. • Habéis conocido las diferentes regiones de funcionamiento de un FET. • Habéis conocido una topología de polarización para FET. • Habéis visto una topología de amplificación basada en FET, que es análoga a la vista para BJT. • Habéis conocido cómo realizar puertas lógicas basadas en MOSFET. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 155 4. Problemas resueltos . En este apartado, vais a encontrar un conjunto de problemas resueltos. En primer lugar, aparecen los enunciados de forma consecutiva y, a continuación, la resolución. Es conveniente que intentéis resolverlos primero vosotros sin mirar las soluciones. Es probable que no os salgan bien o que no sepáis bien cómo enfocarlos: es normal cuando intentéis hacerlos las primeras veces. Para ver cómo se resuelven, podéis ir al subapartado de soluciones. 4.1. Enunciados Problema 1 Calculad el punto de operación del BJT del circuito de la figura 100 para los siguientes valores de sus parámetros: • R1 = 18 kΩ, R2 = 12 kΩ • RE = 1,2 kΩ, RC = 1,5 kΩ • VCC = 12 V • β = 180 y vBE = 0,7 V Figura 100. Circuito del problema 1 R1 RC IC C B VCC IB R2 E IE RE Problema 2 Calculad el punto de operación del circuito de la figura 101 para los siguientes valores de sus parámetros: El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 156 • RB = 11 kΩ • RE = 20 kΩ, RC = 1,1 kΩ • VCC = 12 V • β = 100 y vBE = 0,7 V Figura 101. Circuito del problema 2 RC RB VCC IC C IB B IE E RE Problema 3 Diseñad un circuito de polarización por división de tensión para situar un BJT de βmin = 120 y vBE = 0,7 V en un punto de operación que permita la máxima excursión simétrica y con un valor de corriente de colector dada por IC = 2,1 mA, si la fuente utilizada es de VCC = 12 V. Problema 4 Un JFET de canal N tiene una tensión de corte |vGSoff | = 3,2 V y una corriente de saturación de IDss = 10 mA. Calculad la corriente ID que circula por el dispositivo si le aplicamos una tensión |vGS | = 1,7 V cuando la tensión vDS es tal que está en saturación. Problema 5 Un JFET de canal N tiene una tensión de corte de |vGSoff | = 3,2 V. Si aplicamos una tensión de |vGS | = 1,2 V, calculad el valor de vDS a partir del cual el dispositivo está en saturación. Problema 6 En el circuito de la figura 102, calculad la tensión vDS . Tened en cuenta los siguientes datos: VDD = 30 V, VGG = 1,5 V, vGSoff = –3,6 V, RG = 10 kΩ, RD = 6 kΩ y IDss = 5 mA. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 157 Figura 102. Circuito del problema 6 RG VDD RG + – D G S – + VGG Problema 7 Calculad vGS en el circuito de la figura 103. Figura 103. Circuito del problema 7 5V + – 8kΩ RD D G S 2kΩ Problema 8 Para el circuito amplificador basado en BJT en emisor común de la figura 104, calculad: a) El valor de la ganancia en voltaje. b) La resistencia de entrada. c) El valor de la salida si la entrada es la señal vi (t) = 0,7 sen(2t). El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 158 Datos: • R1 = 18 kΩ, R2 = 12 kΩ • RE1 = 200 Ω, RC = 1,5 kΩ, RE2 = 1 kΩ • VCC = 12 V • β = 180 y vBE = 0,7 V Figura 104. Circuito del problema 8 + VCC – R1 RC Salida C CB vo (t) B E vi (t) RE1 R2 Entrada RE2 CE Problema 9 Para el circuito amplificador basado en BJT en emisor común de la figura 105, calculad, mediante el modelo de parámetros h del transistor: a) El valor de la ganancia en voltaje. b) La resistencia de entrada. c) El valor de la salida si la entrada es la señal vi (t) = 0,7 sen(2t) Datos: • R1 = 300 kΩ, R2 = 150 kΩ • RE = 1 kΩ, RC = 2 kΩ • VCC = 12 V, CB = 33 nF Los valores del modelo de pequeña señal los proporciona el fabricante en el datasheet del dispositivo. Para el punto de operación en el que está el transistor, los valores son los siguientes: • h11 = 4,5 kΩ • h21 = 330 El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 159 El resto de parámetros se pueden despreciar. Figura 105. Circuito del problema 9 + VCC – R1 RC Salida C CB vo (t) B E vi (t) R2 RE CE Entrada 4.2. Resolución Problema 1 Seguimos los pasos indicados en el subapartado 2.1.2 para el cálculo del punto de operación. En primer lugar, calculamos los equivalentes Thévenin del circuito de entrada mediante las ecuaciones 72 y 73: RTh = R1 R2 = 7.200 Ω R1 + R2 (236) R2 = 4,8 V R1 + R2 (237) VTh = VCC Una vez que ya tenemos los equivalentes de Thévenin, seguimos con los siguientes pasos: 1) Aplicamos la ley de Kirchhoff de tensiones a la malla de entrada, dada por la ecuación 74: VTh = IB RTh + vBE + IE RE (238) 4,8 = 7.200IB + 0,7 + 1.200IE (239) Ahora hacemos uso de IE ≈ βIB y convertimos la ecuación 239 en: 4,8 = 7.200IB + 0,7 + 1.200βIB (240) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 160 2) De la ecuación 240, podemos despejar IB : IB = 4,8 – 0,7 = 1,837 · 10–5 A 7.200 + 180 · 1.200 (241) 3) Ahora podemos calcular IC mediante la ecuación 45: IC = βIB = 180 · 1,837 · 10–5 = 3,3 mA (242) 4) Finalmente, aplicamos la ley de Kirchhoff de tensiones a la malla de salida: VCC = IC RC + vCE + IC RE (243) vCE = VCC – IC RC – IC RE = 3,07 V (244) de donde despejamos vCE : Y ya tenemos calculado el punto de operación que viene dado por: Q = (vCE = 3,07 V,IC = 3,3 mA) (245) Problema 2 El circuito del problema 2 no se corresponde con ninguno de los circuitos de polarización presentados en el subapartado 2.1.2. Sin embargo, podemos seguir un procedimiento totalmente análogo al presentado en el subapartado 2.1.2 para calcular el punto de trabajo del transistor. En primer lugar, redibujamos en la figura 106 el circuito de la figura 101 explicitando en él las mallas de entrada y salida del BJT. Para ello, tan sólo hemos tenido que duplicar la fuente de tensión VCC . Al disponer de las mallas de entrada y de salida, será más fácil calcular el punto de operación. Ahora seguiremos un proceso análogo al llevado a cabo en el subapartado 2.1.2. 1) En primer lugar, aplicamos la ley de Kirchhoff de tensiones a la malla de entrada: VCC = IB RB + vBE + IE RE (246) 12 = 11.000IB + 0,7 + 20.000IE (247) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 161 Ahora hacemos uso de IE ≈ βIB y convertimos la ecuación 247 en: 12 = 11.000IB + 0,7 + 20.000βIB (248) Figura 106. Circuito redibujado del problema 2 RC IC IB RB C VCC B IE E Malla salida VCC Malla entrada RE 2) De la ecuación 248, podemos despejar IB : IB = 12 – 0,7 = 5,62 · 10–6 A 11.000 + 100 · 20.000 (249) 3) Ahora podemos calcular IC mediante la ecuación 45: IC = βIB = 100 · 5,62 · 10–6 = 0,562 mA (250) 4) Finalmente, si aplicamos la ley de Kirchhoff de tensiones a la malla de salida: VCC = IC RC + vCE + IC RE (251) vCE = VCC – IC RC – IC RE = 0,184 V (252) de donde despejamos vCE : Y ya tenemos calculado el punto de operación que viene dado por: Q = (vCE = 0,184 V,IC = 0,562 mA) (253) Como veis, un circuito diferente de polarización se analiza a partir de los mismos procedimientos que los comentados en el apartado 2. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 162 Problema 3 Primero, recordemos que el circuito por división de tensión está dado por la figura 107. Figura 107. Circuito de polarización por división de tensión R1 RC IC C B VCC IB R2 E IE RE Seguiremos los pasos mencionados en el recuadro gris del subapartado 2.1.3. En primer lugar, debemos explicitar los datos iniciales del problema. 1) Conocer el punto de trabajo del transistor. En este caso, nos indican que IC = 2,1 mA pero no nos dicen nada del valor de vCE . Sin embargo, sí nos dicen que la excursión simétrica ha de ser máxima. Eso implica que el punto de trabajo se tiene que localizar en un lugar central de las características del BJT y por lo tanto debemos seguir la recomendación dada en el subapartado 2.1.3 por medio de la ecuación 99 para la elección de vCE . Entonces, vCE = 0,5VCC = 6 V y ya tenemos el punto de trabajo deseado. 2) Conocer el valor de la fuente de continua, VCC . En nuestro problema, VCC = 12 V. 3) Conocer el valor de βmin . En el enunciado nos dicen que βmin = 120. Ahora que ya tenemos presentes todos los datos necesarios, podemos comenzar con la fase de diseño propiamente dicha. 4) Inicialmente, debemos calcular la resistencia RE . Primero calculamos su diferencia de potencial según: VRE = 0,1VCC = 1,2 V (254) y a continuación el valor de la resistencia haciendo uso de la ley de Ohm: RE = 1,2 vRE = = 571,43 Ω IC 0,0021 (255) CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 163 5) Dimensionamos la fuente de Thévenin con la ecuación 101: VTh = 0,7 + vRE = 0,7 + 1,2 = 1,9 V (256) 6) y la resistencia Thévenin con la ecuación 102: RTh = 0,1βmin RE = 0,1 · 120 · 571,43 = 6.857,1 Ω = 6,86 kΩ (257) 7) De los valores del equivalente Thévenin calcularemos las resistencias R1 y R2 : R1 = VCC RTh 12 · 6.857,1 = = 4,33 · 104 Ω VTh 1,9 (258) R2 = VCC RTh 12 · 6.857,1 = = 8.146,9 Ω VCC – VTh 12 – 1,9 (259) 8) Finalmente, despejamos el valor de RC de la ecuación 78: RC = VCC = IC RC + vCE + IC RE (260) VCC – vCE 12 – 6 – RE = – 571,43 = 2.285 Ω IC 0,0021 (261) Ya tenemos todos los parámetros que definen la red de polarización buscada. Problema 4 Como vDS es tal que el dispositivo está en saturación, sabemos que es la ecuación 175 la que modela al dispositivo: ID = IDss v 1 – GS vGSoff !2 (262) Dado que conocemos todos los datos, podemos sustituirlos en la ecuación 262 y obtener: „ ID = 10 1 – –1,7 –3,2 «2 = 2,197 mA (263) Fijaos en que, dentro de la ecuación, hemos sustituido los valores de las tensiones con su signo, que debe ser negativo si está en saturación. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 164 Problema 5 El JFET de canal N está en saturación cuando se satisface la ecuación 173: vDS ≥ vGS – vGSoff (264) En el enunciado, nos proporcionan los datos para sustituir en la ecuación 264 y obtener la tensión vDS a partir de la cual el dispositivo está en saturación: vDS ≥ –(1,2) – (–3,2) = 2 V (265) Fijaos en cómo, de nuevo, las tensiones aparecen con sus respectivos signos. Problema 6 En primer lugar, redibujamos el circuito problema con las mallas que vamos a usar para resolverlo. Figura 108. Circuito del problema 6 ID RD VDD RG G S IG – + D + – Malla 2 IS VGG Malla 1 Para calcular vDS , aplicamos la ley de Kirchhoff de voltajes a la malla 2 indicada en la figura 108. El resultado es la ecuación: VDD = ID RD + vDS (266) De la ecuación 266 podemos despejar el valor de vDS : vDS = VDD – ID RD (267) En la ecuación 267, conocemos VDD y RD pero no conocemos ID , así que no podemos calcular el valor de vDS . Necesitaríamos conocer el valor de ID , ¿cómo podemos hallarlo? Para un JFET en la región de polarización de saturación, existe una relación entre ID y vGS , que está dada por la ecuación 262: CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 165 v 1 – GS vGSoff ID = IDss !2 (268) Por lo tanto, si hallamos vGS , entonces podríamos calcular ID y sustituirlo en la ecuación 267 para conocer vDS . El problema se ha reducido ahora a calcular vGS . Para ello, aplicamos la ley de Kirchhoff de voltajes a la malla 1 de la figura 108: –VGG = IG RG + vGS (269) vGS = –VGG = –1,5 V (270) Como IG = 0 entonces, Ahora que ya tenemos calculado vGS , llevamos su valor a la ecuación 268 para hallar ID : ID = IDss v 1 – GS vGSoff !2 „ =5 1– –1,5 –3,6 «2 = 1,7 mA (271) Una vez que conocemos ID , llevamos su valor a la ecuación 267 y obtenemos finalmente el valor de vDS , que es lo que nos pedían en el enunciado: vDS = VDD – ID RD = 30 – 0,0017 · 6.000 = 19,8 V (272) Problema 7 Vamos a comenzar redibujando el circuito de la figura 103 de una forma más simplificada, dada por la figura 109. Figura 109. Redibujo del circuito del problema 7 + RD D 8kΩ G S + – 5V 2kΩ Equivalente Thèvenin 5V – CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 166 Para hacer más sencillos los cálculos, podemos reemplazar los componentes conectados a la puerta por su equivalente Thévenin mostrado en la figura 110, donde los valores del equivalente Thévenin son: RTh = R1 R2 = 1,6 kΩ R1 + R2 (273) 5R2 =1V R1 + R2 (274) VTh = Figura 110. Equivalente Thévenin del circuito del problema 7 + 5V – RD D 1,6 kΩ G S + – 1V Malla entrada Equivalente Thèvenin Ahora, para calcular vGS , podemos aplicar la ley de Kirchhoff de tensiones a la malla de entrada mostrada en la figura 110: 1 = IG 1.600 + vGS (275) Dado que IG = 0, entonces, vGS = 1 V que es la solución buscada. Problema 8 En este problema, vemos que partimos de un circuito de amplificación en emisor común, muy parecido al presentado en el subapartado 2.4.1 con la particularidad de que ahora la resistencia de emisor se ha dividido en dos partes, RE1 y RE2 de tal forma que sólo una de las resistencias está en paralelo con el condensador Cb . Entonces, cuando realicemos el análisis en continua y pongamos el condensador en circuito abierto, la resistencia de emisor total será la suma de ellas, RE = RE1 + RE2 . Por otro lado, cuando realicemos el análisis en alterna y sustituyamos el condensador por el cortocircuito, la resistencia RE2 desaparecerá, pero ahora RE1 CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 167 seguirá presente en el modelo lineal del circuito. Veamos cómo afecta este hecho al cálculo de la ganancia y de la resistencia de entrada (especialmente) del circuito de amplificación. Para analizar el circuito problema, seguimos los mismos pasos que en el subapartado 2.4.1. En primer lugar, vamos a llevar a cabo el análisis de continua. Para ello, sustituimos los condensadores por circuitos abiertos y obtenemos el circuito de polarización por división de tensión dado por la figura 111. Figura 111. Circuito de polarización del problema 8 R1 RC IC C B VCC IB R2 E IE RE En esta figura, la resistencia de emisor es la suma RE = RE1 + RE2 . Con los datos del ejercicio, vemos que se trata del mismo circuito de polarización que el resuelto en el problema 1. Ya calculamos entonces el punto de operación de este circuito que viene dado por: Q = (vCE = 3,07 V,IC = 3,3 mA) (276) A continuación, realizamos el análisis en alterna. Para ello: 1) Debemos poner los condensadores en cortocircuito. El resultado de esta operación está representado en la figura 112. 2) Identificamos la configuración en la que trabaja el BJT. En este caso, es una configuración de emisor común, ya que la salida se toma en el colector y el emisor, a través de la resistencia RE1 , está compartido por los circuitos de entrada y de salida. 3) A continuación, sustituimos el BJT por su modelo de parámetros r y obtenemos el circuito de la figura 113. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 168 Figura 112. Análisis de alterna del circuito del problema 8 Salida C vo (t) B E vi (t) R1 RC R2 RE1 Entrada Figura 113. Sustitución del BJT por su modelo de parámetros r C Ri ii βIB IB B vo (t) rE RC E vi (t) R1 IC R2 IE RE1 Como podéis ver en la figura 113, lo que ha ocurrido ahora es que la resistencia de emisor ya no es sólo re , sino que también aparece RE1 . 4) Ahora estamos preparados para analizar el circuito de la figura 113 y responder a los apartados a, b y c. a) Para el cálculo de la ganancia, nos damos cuenta de que podemos utilizar la Ganancia en voltaje misma expresión que la obtenida en el subapartado 2.4.1, pero para un nuevo valor de la resistencia de emisor dado por RE = re +RE1 . Es decir, el circuito lineal representado en la figura 113 es el mismo que el representado en la figura 36 si se utiliza como resistencia de emisor un valor de RE = re + RE1 . Entonces, podríamos obtener la ganancia en voltaje a partir de la ecuación 136 sin más que sustituir la resistencia de emisor por el nuevo valor. El resultado es: Av = – Rc re + RE1 Av = – Rc re donde re era la única resistencia conectada al emisor. (277) Vemos que ahora el valor de la ganancia es inferior al obtenido cuando no se divide la resistencia en dos partes. De hecho, suele ocurrir habitualmente que RE1 >> re La ganancia en voltaje del amplificador de emisor común es CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 169 y la ecuación 277 se puede simplificar a: Av = – Rc RE1 (278) El resultado final es una ganancia más pequeña que la obtenida sin la división de la resistencia de emisor en dos, pero tenemos una ventaja: ahora la ganancia sólo depende de los parámetros de la red de polarización, no depende de ningún parámetro del BJT, ya que ahora no depende de re , que viene determinado por la polarización y el valor de β. Con los datos del enunciado, el valor aproximado de la ganancia en tensión es: Av = – Rc = –7,5 RE1 (279) b) Ahora que ya tenemos calculada la ganancia en tensión pasamos a calcular la resistencia de entrada. La resistencia de entrada se puede calcular como la asociación en paralelo de R1 , R2 y la resistencia de entrada del BJT. Calculemos la resistencia de entrada del BJT y calculamos la asociación en paralelo. La resistencia de entrada del BJT se puede calcular como la caída de potencial en las resistencia de emisor dividida entre la corriente de entrada. La caída de potencial en la resistencia de emisor es: ∆v = (1 + β)IB (re + RE1 ) (280) puesto que la caída de potencial en una resistencia es, según la ley de Ohm, el producto de la intensidad por la resistencia. Ahora debemos dividir este valor entre la corriente de entrada al BJT, que es IB . Entonces, la resistencia de entrada del BJT resulta ser: RinBJT = (1 + β)IB (re + RE1 ) = (1 + β)(re + RE1 ) ≃ βRE1 IB (281) Por lo tanto, la resistencia de entrada es: Rin = R1 //R2 //RinBJT = 6 kΩ (282) Esta resistencia de entrada resulta ser más grande que cuando no se divide la resistencia del emisor en dos partes y esto es algo positivo puesto que lo más interesante en un circuito es que presenta una resistencia de entrada lo más grande posible para que no cargue apenas al circuito precedente. Tenemos, pues, que la ganancia no depende del BJT y que la resistencia de entrada aumenta como rasgos positivos. En contrapartida, la ganancia total baja. CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 170 Si queremos tener todas las propiedades del amplificador, tendremos que recurrir a amplificadores multietapa que compondrán los llamados amplificadores operacionales, que estudiaréis en el módulo siguiente. c) Finalmente, podremos calcular la salida ante una entrada de la forma vi (t) = 0,7 sen(2t) sin más que multiplicar la amplitud de la señal de entrada por la ganancia en voltaje. Por lo tanto, el voltaje de salida será: vo (t) = Av vi (t) = –7,5 · 0,7 · sen(2t) = –5,25 sen(2t) V (283) Como veis, el amplificador ha cambiado el signo de la señal, ya que ahora hay un signo negativo multiplicando a la amplitud de la señal de salida. Sin embargo, ésta es sólo la salida de alterna del circuito. La salida total se puede calcular por superposición a través de la suma de la salida de continua y la de alterna. vo = vQ – 5,25 sen(2t) = 3,07 – 5,25 sen(2t) V (284) Si queremos que la componente de continua no pase a la salida, tendremos que utilizar un condensador de desacoplo conectado al terminal de salida. Problema 9 En este caso, tenemos un problema muy parecido al problema 8 pero ahora, en lugar de utilizar el modelo de parámetros r, nos dice el enunciado que utilicemos el modelo de parámetros h. Así, vemos cómo se utiliza este modelo y tenéis un ejemplo diferente sobre cómo se sustituye el transistor en los circuitos basados en BJT. También nos dice que podemos utilizar el modelo simplificado de parámetros h introducido en el subapartado 2.3.1 en lugar del modelo completo. Para resolver las preguntas, primero debemos obtener el punto de operación del transistor. Para ello, seguimos los pasos indicados en el subapartado 2.1.2. Inicialmente, ponemos todos los condensadores en circuito abierto. Si hacemos esto en el circuito de la figura 105, obtenemos el circuito de polarización por división de tensión estudiado en el subapartado 2.1.2. Podemos entonces calcular su punto de operación como hicimos entonces. Calculamos, en primer lugar, el equivalente Thévenin del circuito de entrada, formado por las resistencias R1 , R2 y la fuente de tensión VCC . El resultado es: RTh = R1 R2 = 100 kΩ R1 + R2 (285) R2 =4V R1 + R2 (286) VTh = VCC CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 171 A continuación: 1) Aplicamos la ley de voltajes de Kirchhoff a la malla de entrada: VTh = IB RTh + vBE + IE RE (287) En la ecuación 287, nos aparece el valor de vBE y el de la corriente IE . El valor de vBE = 0,7 V, ya que el transistor se encuentra en la región de activa directa. El valor de IE se calcula a través de la ecuación 50: IE ≈ βIB (288) El problema ahora es ¿cuánto vale β? Si nos fijamos en el parámetro h21 de la ecuación 122, nos damos cuenta de que desempeña el mismo papel que β y, por lo tanto, β = h21 = 330. Entonces, la ecuación de malla a la entrada queda así: VTh = IB RTh + vBE + h21 IB RE (289) 2) Entonces, podemos despejar IB como: VTh – vBE = 7,67 · 10–6 A RTh + h21 RE IB = (290) 3) La corriente de colector se puede calcular ahora a partir de la ecuación 122: IC = h21 IB = 2,5 mA (291) 4) Finalmente, a partir de este valor podemos calcular el de vCE , que se calcula a partir de la ley de tensiones de Kirchhoff aplicada a la malla de salida: VCC = IC RC + VCE + IE RE (292) donde hacemos que IE ≈ IC : VCC = IC RC + VCE + IC RE = IC (RC + RE ) + vCE (293) vCE = VCC – IC (RC + RE ) = 4,4 V (294) Entonces: CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 172 y ya tenemos calculado el punto de operación y los valores de continua del dispositivo. Ahora ya podemos pasar a resolver el apartado a. a) Para calcular la ganancia en tensión del amplificador, en primer lugar ponemos los condensadores en cortocircuito y ponemos la fuente de tensión continua VCC a cero. Obtenemos el circuito de la figura 114. Figura 114. Circuito del problema 9: análisis en alterna R1 RC Salida C vo (t) B E vi (t) R2 Entrada A continuación, sustituimos el BJT por su modelo de pequeña señal de parámetros híbridos representado en la figura 31. El resultado es la figura 115. Figura 115. Circuito del problema 9: modelo lineal de parámetros h R1 RC Salida C vo (t) h21IB IB vi (t) R2 B h11 Parámetros h E Entrada CC-BY-SA • PID_00170129 El transistor 173 Fijaos en cómo se han tenido en cuenta los terminales del modelo de parámetros h representado en la figura 31 a la hora de sustituir el modelo. Para poder trabajar con este modelo lineal más fácilmente, lo redibujamos de una forma más conveniente en la figura 116. Figura 116. Circuito del problema 9: modelo lineal de parámetros h dibujado de una forma más conveniente Salida IB vo (t) B vi (t) R1 R2 C h11 h21IB E RC Parámetros h Ahora ya podemos calcular la ganancia en corriente. Ésta se define como el cociente de la tensión de salida entre la tensión de entrada: Av = vo vi (295) Calculemos ambas tensiones y hagamos la división: • Comencemos con la tensión de entrada. La tensión de entrada vi se puede calcular como la caída de tensión en las resistencias R1 , R2 o h11 , ya que se encuentran todas ellas en paralelo. Calculemos la caída de tensión en h11 , que es lo más sencillo. Entonces, vi será la caída de tensión en la resistencia h11 que es, según la ley de Ohm: vi = Ih11 h11 (296) Veamos ahora qué corriente circula por esa resistencia. La corriente que circula por la resistencia se puede calcular aplicando la ley de Kirchhoff de corrientes al nodo del emisor y resulta ser: Ih11 = IB (297) vi = IB h11 (298) de donde: CC-BY-SA • PID_00170129 • El transistor 174 La tensión de salida es la caída de tensión en la resistencia de colector, RC : vo = IRC RC = –h21 IB RC (299) donde el signo menos aparece debido a que la corriente circula del potencial menor al mayor de la resistencia de colector. • Ahora dividimos la ecuación 298 entre la 299 y obtenemos la ganancia de tensión: Av = vo h I R h R = – 21 B C = – 21 C ≈ –146 vi IB h11 h11 (300) y ya tenemos calculada la ganancia en voltaje. Pasemos a calcular la resistencia de entrada. b) La resistencia de entrada se calcula con la salida en abierto. Como no tenemos nada conectado a la salida, la resistencia de entrada es la asociación en paralelo de R1 , R2 y h11 : Rin = R1 //R2 //h11 = 4,3 kΩ (301) Aunque no lo piden en el enunciado, el cálculo de la resistencia de salida es inmediato. Para ello, debemos dejar el circuito de entrada en abierto y la resistencia de salida es simplemente RC . Ro = RC = 2 kΩ (302) c) Finalmente, la salida ante una entrada de la forma vi (t) = 0,7 sen(2t) se puede calcular mediante superposición. La salida total será la salida en continua más la salida a esta señal en alterna. La salida en continua era vCE , mientras que la salida en alterna es: vo (t) = Av · 0,7 · sen(2t) = –102,2 sen(2t) V (303) que es la señal de entrada multiplicada por la ganancia en voltaje. Por lo tanto, si aplicamos superposición, la salida total será: vo,total (t) = vCE + Av · 0,7 · sen(2t) = 4,4 – 102,2 sen(2t) V (304) Vemos que la salida posee también una componente en continua. Si quisiéramos eliminar esta componente en continua, tendríamos que poner un condensador de desacoplo en la salida. CC-BY-SA • PID_00170129 175 Resumen En este módulo, hemos introducido la estructura física y algunas de las aplicaciones de los transistores más utilizados en baja frecuencia que son el transistor bipolar de unión (BJT) y el transistor de efecto de campo (FET). En primer lugar, hemos comenzado con la estructura física de los BJT. Los BJT son dispositivos de tres terminales que reciben el nombre de emisor (E), base (B) y colector (C). Su principio de funcionamiento básico consiste en que el terminal de base controla la corriente que pasa por los otros dos. Para ser capaces de analizar circuitos con BJT, obtuvimos un modelo eléctrico a través de las ecuaciones de Ebers-Moll. El comportamiento global del BJT es no lineal, lo que da lugar a diferentes zonas o regiones de funcionamiento: • activa directa, • activa inversa, • saturación, • corte. Como consecuencia, si se desea que el BJT se mantenga en la misma región de funcionamiento cuando se le conecta a la entrada una tensión variable en el tiempo es necesario acoplarle un circuito de polarización. El circuito de polarización es un circuito externo que obliga al BJT a comportarse de la misma forma a pesar de tensiones o corrientes variables en la base. En aplicaciones de amplificación, la región de funcionamiento debe ser la de activa directa. Uno de los circuitos de polarización más usados para obligar a que el BJT permanezca en la región de activa directa es el basado en el divisor de tensión. La principal ventaja de este circuito es que hace que el punto de operación sea insensible a las variaciones del parámetro β del transistor. De esta forma, el punto de operación es el mismo para transistores con diferente valor de β. Una vez que ya tenemos los circuitos de polarización, hemos visto en el apartado 2 topologías de circuitos de amplificación. Para ellos, nos restringimos al caso de pequeña señal y frecuencia intermedia. Esto significa que no amplificábamos el término de continua y que la señal de entrada tenía una amplitud más pequeña de la señal del punto de operación. Bajo estas circunstancias, el transistor podía representarse de forma lineal. Hemos visto dos modelos lineales del BJT. El modelo de parámetros híbridos y el modelo de parámetros r. El modelo de parámetros híbridos es una forma general de representar circuitos en electrónica, mientras que el modelo de parámetros r era un modelo más El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 176 físico y construido especialmente para el BJT. Con este modelo, hemos analizado las configuraciones de amplificadores en emisor común, base común y emisor común. En las configuraciones de emisor y base común se conseguía ganancia en tensión, mientras que en colector común la ganancia en tensión era prácticamente la unidad. Para cada una de estas configuraciones, presentamos también el valor de sus resistencias de entrada y de salida. En el último apartado, hemos introducido la estructura física fundamental de los transistores de efecto de campo, FET. Los FET están divididos en dos tipos de familias: FET de unión o JFET y FET de metal-óxido-semiconductor o MOSFET. Los transistores FET son dispositivos de tres terminales llamados fuente (S), drenador (D) y puerta (G). En general, la corriente de puerta es prácticamente cero y la corriente de drenador coincide con la de fuente. El principio básico de funcionamiento de los FET es que la corriente de drenador se puede controlar mediante la tensión aplicada a la puerta. Por lo tanto, se trata de dispositivos controlados por tensión. La diferencia entre los JFET y los MOSFET estriba en la forma en la que se consigue que la corriente de puerta sea prácticamente cero. En los JFET, se consigue mediante la polarización en inversa de una unión PN. Por otro lado, en los MOSFET, se consigue aislando eléctricamente el terminal de puerta del semiconductor por medio de una fina capa aislante. Ambos dispositivos poseen características I-V similares en las que se pueden distinguir cuatro regiones de funcionamiento diferentes: • Zona óhmica o lineal. En esta zona, el transistor se comporta como una resistencia. • Zona de saturación. El transistor se comporta como una fuente de corriente controlado por tensión. • Zona de corte. El transistor se comporta como un circuito abierto. • Zona de ruptura. El transistor pierde su integridad. En aplicaciones de amplificación, los FET trabajan en la zona de saturación. Para conseguir que el transistor permanezca en la zona de saturación ante tensiones de entrada variables en el tiempo, es necesario acoplarle circuitos de polarización. Las topologías de circuitos de polarización y de amplificación son muy semejantes a las estudiadas para el BJT. Finalmente, la tecnología basada en MOSFET es la más utilizada en la realización de circuitos digitales. Hemos visto cómo sintetizar puertas lógicas utilizando transistores FET. En particular, puertas de tipo NOT y de tipo NAND. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 177 Ejercicios de autoevaluación 1. Si las tensiones entre los terminales de un BJT son vBE < Vγ y vBC < Vγ , entonces el BJT está en la región... a) activa directa. b) de corte. c) de saturación. d) activa inversa. 2. Si tenemos un BJT de silicio polarizado en la región activa directa, la tensión de emisor es 0,7 V menor que la tensión de... a) colector. b) base. c) tierra. d) alimentación VCC . 3. El incremento de temperatura, en un transistor BJT,... a) no cambia el valor de β. b) disminuye el valor de β. c) aumenta el valor de β. d) Todas las respuestas anteriores son falsas. 4. El objetivo de un circuito de polarización para un BJT es... a) configurar la región de funcionamiento del transistor. b) conseguir que el punto de trabajo sea estable frente a la variación de β. c) Los dos puntos anteriores son correctos. d) hacer que la ganancia de corriente β sea lo más grande posible. 5. En un transistor BJT,... a) la base está mucho más dopada que el emisor y el colector. b) todas las partes tienen el mismo tamaño. c) los terminales de emisor y colector son simétricos. d) la base es mucho más estrecha que el emisor y colector. 6. En un circuito de polarización por división de tensión, la resistencia de emisor RE ... a) no desempeña ningún papel. b) actúa inestabilizando el punto de trabajo frente a variaciones de β. c) actúa como una realimentación negativa. d) tiene el mismo papel que la resistencia de colector RC . 7. Las ecuaciones de Ebers-Moll... a) describen el comportamiento del BJT en todas las regiones. b) describen el comportamiento tan sólo en la región de activa directa. c) describen el comportamiento en activa, tanto en inversa como en directa. d) Todas las respuestas anteriores son falsas. 8. El dibujo de la figura 117 representa un transistor... Figura 117 D G S a) MOSFET de deplexión de canal N. b) MOSFET de acumulación de canal N. c) MOSFET de deplexión de canal P. d) MOSFET de acumulación de canal P. 9. Además de la zona adecuada para amplificar señales alternas, ¿qué otras zonas encontramos en las características I-V de un dispositivo FET? El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 178 a) Activa directa, corte y saturación. b) Lineal y saturación. c) Lineal, corte y ruptura. d) Activa inversa, corte y activa directa. 10. La resistencia de entrada de un MOSFET (resistencia de puerta)... a) tiende a infinito. b) tiende a cero. c) es imposible de pronosticar. d) tiende a uno. 11. En el símbolo de la figura 118, los terminales 1, 2 y 3 se corresponden respectivamente a... a) emisor, base y colector. b) puerta, drenador y fuente. c) drenador, puerta y fuente. d) fuente, puerta y drenador. Figura 118 1 3 2 12. Para la polarización habitual de un JFET de canal N, se aplica... a) vGS > 0 y vDS > 0. b) vGS > 0 y vDS < 0. c) vGS < 0 y vDS > 0. d) vGS < 0 y vDS < 0. 13. Si se desea un amplificador con una resistencia de salida muy baja, la configuración del BJT debe ser... a) base común. b) colector común. c) emisor común. d) Todas las respuestas anteriores son falsas. 14. La resistencia de salida de un circuito amplificador basado en un BJT en emisor común con los parámetros R1 = 8 kΩ, R2 = 6 kΩ, RE = 1 kΩ, RC = 1,3 kΩ, VCC = 12 V, β = 180 y vBE = 0,7 V, es... a) R1 //R2 = 3,43 kΩ. b) RE //RC = 565,22 Ω. c) RC = 6 kΩ. d) R1 //R2 //RE //RC = 485,22 Ω. 15. La ganancia en voltaje del amplificador en emisor común basado en la red de polarización del problema 1 es... a) –220,7. b) 190. c) –80,75. d) –192,3. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 179 Solucionario 1. b; 2. b; 3. c; 4. c; 5. d; 6. c; 7. a; 8. d; 9. c; 10. a; 11. c; 12. c; 13. b; 14. c; 15. d; Glosario αF f Se lee ”alfa sub efe” y representa el coeficiente de transferencia directa de electrones. αR f Se lee ”alfa sub erre” y representa el coeficiente de transferencia inverso de electrones. activa directa f Región de funcionamiento de un BJT en la que la corriente de colector y de emisor es proporcional a la corriente de base. amplificador m Circuito que proporciona a su salida un valor de tensión o corriente superior al que hay en la entrada. baja frecuencia f Región de frecuencias de la señal de entrada cuya longitud de onda es mucho más grande que las dimensiones del circuito. Además, también incluye las señales constantes o de continua. β f La letra griega beta es la ganancia en corriente de un BJT. bipuerta f Elemento circuital de cuatro terminales entre los que existe una relación algebraica entre sus variables. BJT m Siglas del transistor bipolar de unión, Bipolar Junction Transistor. Posee tres terminales, base (B), emisor (E) y colector (C). En los BJT, la corriente de base controla la corriente que circula por los otros dos terminales. circuito de polarización m Circuito que permite configurar el modo de funcionamiento de un transistor. corriente de saturación, IDsat f Corriente constante que aparece en los dispositivos FET cuando el canal está estrangulado. dispositivo de estado sólido m Dispositivo construido enteramente de materiales sólidos donde los portadores de carga se encuentran completamente confinados en su interior. Hoy por hoy, esta denominación suena extraña, pero históricamente este término se ideó en contraposición a las tecnologías electrónicas anteriores basadas en tubos de vacío o dispositivos de descarga de gases y a los dispositivos electromecánicos (como interruptores o conmutadores) con partes móviles. drenador, D m Terminal de los transistores FET. Es por donde salen los electrones que circulan por el transistor en los FET de canal N y por donde salen los huecos en los de canal P. energía cinética f Energía que posee un objeto debido a su estado de movimiento. En concreto, su valor depende de la velocidad y de la masa del objeto a través de la ecuación Ec = 12 mv2 . FET m Siglas del transistor de efecto de campo, Field effect transistor. Dispositivos de tres terminales, drenador (D), puerta (G) y fuente(S). La tensión de puerta controla la corriente que circula por los otros dos terminales. fuente, S f Terminal de los transistores FET. Es por donde entran los electrones que circulan por el transistor en los FET de canal N y por donde entran los huecos en los de canal P. hueco m Partícula abstracta con carga positiva igual en valor absoluto a la de un electrón. JFET m Siglas del transistor de efecto de campo de unión, Juction FET. La corriente a través del terminal de puerta se impide por medio de una unión PN polarizada en inversa. MOSFET m Siglas del transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor, metaloxide-semiconductor FET. La corriente a través del terminal de puerta se impide por medio de una fina capa aislante. puerta, G f Terminal de los transistores FET. Es el terminal cuya tensión controla la corriente que circula por el drenador y la fuente de los FET. punto de trabajo, Q m Colección de variables que definen el comportamiento eléctrico de un transistor. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 180 recombinación f Proceso que tiene lugar dentro de los materiales semiconductores y por el que electrones libres ocupan huecos y dejan de estar libres. red cristalina f Asociación de átomos fijos del material que forman una estructura periódica en el espacio. relación de reciprocidad f Relación entre los coeficientes de transferencia directo e inverso y las corrientes inversas de saturación de los diodos del modelo de Ebers-Moll y viene dada por la ecuación αF IES = αR ICS = IS . semiconductor en equilibrio m Situación que alcanza un semiconductor cuando no dispone de fuentes de tensión externas conectadas a él. tensión umbral, vGSoff f Tensión a partir de la cual se produce el estrangulamiento de canal en los transistores de tipo FET. tensión umbral de un diodo f Es el valor de tensión a partir del cual empieza a circular una corriente apreciable por el diodo. Se le denota por Vz . topología f Forma en la que los diferentes componentes de un circuito están conectados entre sí. kT , donde T q –23 1,38·10 J/K y q es la voltaje térmico m Está dado por VT = es la temperatura en kelvin, k es la constante de Boltzmann de valor carga del electrón en valor absoluto. zona de corte f Región de funcionamiento de los BJT y FET en la que no circula corriente a través del dispositivo. zona de saturación f Región de funcionamiento de los BJT y FET. zona óhmica o lineal f Región de funcionamiento de los transistores FET en la que la relación entre la corriente que circula por sus terminales y la tensión de drenador es proporcional. El transistor CC-BY-SA • PID_00170129 181 Bibliografía Casilari, E; Romero J. M.; De Trazenies, C. (2003). Transistores de efecto campo. Ediciones de la Universidad de Málaga (Serie “Manuales”). López, G; García J. M. (1993). Física de los dispositivos electrónicos. Imprenta Fareso. Malik, N. R. (2000). Circuitos electrónicos. Madrid: Editorial Prentice Hall. Prat, L; Calderer, J. (2003). Dispositivos electrónicos y fotónicos. Fundamentos. Edicions UPC. El transistor