2 Electrónica Analógica

TEMA II
Electrónica Analógica
Electrónica II 2007
1
2 Electrónica Analógica
2.1
2.2
2.3
2.4
Amplificadores Operacionales.
Aplicaciones de los Amplificadores Operacionales.
Filtros.
Transistores.
2
1
2.4 Transistores
El transistor bipolar
Funcionamiento básico
Polarización
Zonas de trabajo
Punto de trabajo Q
Análisis de circuitos con
transistores bipolares
El transistor de efecto de campo
3
El transistor bipolar
•Dispositivo semiconductor que permite el control y regulación
de una corriente grande mediante una señal muy pequeña.
•Los símbolos que corresponden al bipolar son los siguientes:
•El nombre se refiere a su construcción como semiconductor.
•Un circuito con un transistor NPN se puede adaptar a PNP.
4
2
Funcionamiento básico
•Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad
por la Base por lo que la lámpara no se encenderá. Toda la
tensión se encuentra entre Colector y Emisor.
•Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy
pequeña circulará por la Base yuna intensidad muy grande
dese el Emisor al Colector.
IE > IC > IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE
5
Polarización
Para que trabaje en modo activo:
•La unión base - emisor se polariza directamente y
•La unión base - colector se polariza inversamente.
VCB
IC
VEB
IB
VBE
Transistor NPN
IC
IB
IE
VBC
IE
Transistor PNP invertido
6
3
Polarización
El Transistor como amplificador de corriente:
Ganancia en corriente en emisor común Æ entre 50 y 200. Un valor
típico es 100, pudiendo ser 1.000 para dispositivos especiales.
7
Polarización
La corriente de emisor:
IE = I C + I B
IE = [(β + 1)/β]*IC
I C = α * IE
α=
β
−−−−−
β+1
El transistor se puede considerar
una fuente dependiente de
corriente controlada por corriente
α
β = −−−−−
α−β
α es la ganancia en corriente en base común Æ menor que 1.
Pequeños cambios en α producen grandes cambios en β.
8
4
Zonas de trabajo
CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad
de Colector y Emisor también es nula.
La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería.
Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.
IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat
SATURACION.- Colector y Emisor se comporta como un interruptor
cerrado. La tensión de la batería se encuentra en la carga conectada
en el Colector.
Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que
trabaja en conmutación. Como si fuera un interruptor.
ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos
corriente. La ganancia relaciona la variación que sufre la corriente de
colector para una variación de la corriente de base: ß = IC / IB
9
Zonas de trabajo
ACTIVA
ΔICE
ΔVCE
CORTE
10
5
Zonas de trabajo
Saturación
Corte
Activa
VBE
~ 0,8v
< 0,7v
~ 0,7v
VCE
~0
~ VCC
Variable
VBC
~ VCC
~0
Variable
IC
< βIB
= ICEO~ 0
IB
Variable
=0
= βIB
Variable
11
Punto de trabajo (Q)
•Obtener el punto de trabajo Q de un dispositivo consiste
básicamente en obtener el valor de las diferentes tensiones y
corrientes que se establecen el funcionamiento el mismo en su punto
más estable.
•El análisis del punto de trabajo de un dispositivo, se puede llevar a
cabo de dos formas diferentes: analítica (realizando un análisis
matemático de todas las ecuaciones implicadas) o gráfica ( recta de
carga en continua).
•Método analítico, se basa en resolver el sistema de ecuaciones que
se establece teniendo en cuenta:
•Las leyes de Kirchoff aplicadas a tensiones y corrientes.
•El comportamiento del T según la región de funcionamiento.
•Las relaciones eléctricas del circuito de polarización usado.
12
6
Punto de trabajo (Q)
◊
Seis variables definen el comportamiento de los TB npn:
IB , IC , IE , VCE , VBE y VBC
◊
Tres estructuras de funcionamiento:
emisor común, base común y colector común
◊
Normalmente los fabricantes suelen dan la información
correspondiente a emisor común. Donde:
IE = IB + IC ; VCE = VBE – VBC
◊
Para obtener el punto Q solamente es necesario:
IBQ, ICQ ; VCEQ y VBEQ
13
Punto de trabajo (Q)
• Dado que lo que se busca son las tensiones y corrientes en
continua:
a) Anular los generadores de corriente o tensión alterna (los de
tensión se sustituyen por cortocircuitos y los de corriente por
circuitos abiertos).
b) Sustituir por circuitos abiertos los condensadores y por
cortocircuitos las inductancias.
c) El punto Q se encuentra siempre sobre la recta de carga en
continua.
d) Un método para elegir el punto Q adecuado se basa en
representar previamente la recta de carga, para poder evaluar
las diferentes posibilidades.
14
7
Punto de trabajo (Q)
En saturación VCE=0,2 -> VCE=0:
EC = IC sat * RC
RC
IC sat = EC/RC
RB
(0, EC/RC )
EC
EB
En corte IC=0:
EC = VCE
EC = ICRC + VCE
(EC , 0)
15
Punto de trabajo (Q)
RC
RB
EC
EC
RC
Q
EB
EC = ICRC + VCE
Pendiente de la recta de carga: -1/RC
IBQ=100μA
EC
16
8
Punto de trabajo (Q)
En saturación IB=0 y VCE=0:
EC = IC sat * (RC + RE)
RC
IC sat = EC/(RC + RE)
RB
EC
EB
(0, EC/(RC + RE)
En corte IC=0:
RE
EC = ICRC + VCE +IERE
EC = VCE
(EC , 0)
17
Punto de trabajo (Q)
EC
RC+RE
RC
RB
EC
Q
EB
IBQ=100μA
RE
EC = ICRC + VCE + IERE
Pendiente de la recta de carga: -1/(RC+RE)
EC
18
9
Análisis con transistores
Considerar el circuito de la figura:
VCC
RC
vI
vo
RB
V
GND
Si trabaja en conmutación es un Inversor lógico digital básico.
19
Análisis con transistores
La relación IC = α * IE únicamente se cumple para la zona activa:
Suponemos que el transitor está en zona activa.
1. Se calcula Ic utilizando la ecuación: IC = α * IE
2. Se calcula Ic utilizando la ecuación: VC = VCC - RC*IC
3. Se verifica si VC >= 0.7
3.a- Si VC >= 0.7 nuestra suposición es correcta
3.b- Si VC < 0.7 el transistor está en saturación
La saturación ocurre cuando se fuerza una corriente IC mayor de la
que el transistor puede soportar en modo activo.
La máxima IC sin que el transistor se salga del modo activo se
evalúa para VCB = 0.
20
10
El transistor
de Efecto de Campo
• La corriente se controla mediante tensión: Cuando funcionan como
amplificador suministran una corriente de salida que es
proporcional a la tensión aplicada a la entrada.
• Se empezaron a construir en la década de los 60.
• Características generales:
• Por el terminal de control no se absorbe corriente.
• Una señal muy débil puede controlar el componente.
• La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico.
• Existen dos tipos de transistores de efecto de campo:
• JFET (transistor de efecto de campo de unión)
• MOSFET: ocupan menos espacio que los bipolares -> circuitos
integrados.
21
El transistor
de Efecto de Campo
• Los tres terminales se denominan:
Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain)
• Pueden ser de canal N:
Parámetros FET de canal N
o de canal P:
Parámetros FET de canal P
22
11
El transistor
de Efecto de Campo
• La curva característica del FET define su funcionamiento.
• En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes:
• Zona lineal.- El FET se comporta como una resistencia cuyo
valor depende de la tensión VGS.
• Zona de saturación.- El FET, amplifica y se comporta como una
fuente de corriente controlada por la tensión VGS que existe
entre Puerta (G) y Fuente (S).
• Zona de corte.- La intensidad de Drenador es nula.
• Existen tres configuraciones típicas:
Surtidor común (SC), Drenador común (DC) y Puerta común (PC)
La más utilizada es la de surtidor común que es la equivalente a la
de emisor común en los transistores bipolares.
Los FET se utilizan para amplificar señales débiles.
23
El transistor
de Efecto de Campo
24
12
El transistor
de Efecto de Campo
Al variar VDS varia ID permaneciendo constante VGS.
Zona lineal: al aumentar VDS aumenta ID.
Zona de saturación: al aumentar VDS
produce una saturación de ID que
hace que ésta sea constante:
El transistor trabaja como amplificador
Zona de corte: se caracteriza por tener una ID nula.
Zona de ruptura: indica la máxima VDS que soportará el transistor.
Cuando VGS es cero, ID es máxima.
25
El transistor
de Efecto de Campo
CARACTERÍSTICAS
DE TRANSFERENCIA:
HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DE LOS FET:
Indican la variación de
ID en función de VGS.
VGS y VGD.- tensiones inversas máximas soportables por la
Ejemplo: 2N4220 (25º)
unión PN: (-30V)
IG.- corriente máxima que puede circular por la unión G-S
cuando se polariza directamente: (10 mA)
PD.- potencia máxima: (300 mW)
IDSS.- corriente de saturación cuando VGS=0.
Vp.- voltaje umbral o de estrangulamiento.
VGS
ID = IDSS
1-
VP
2
Ecuación
de
Shockley
26
13