PRÁCTICAS DE ELECTRÓNICA (Troncal)

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID
Departamento de Electricidad y Electrónica
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
PRÁCTICAS DE ELECTRÓNICA
(Troncal)
Universidad de Valladolid
Curso 2.001-02
PRÁCTICAS PARA EL CURSO 2.001 – 2.002
UTILIZACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN ............................................................................. 3
ANÁLISIS DE UN DIODO DE UNIÓN ........................................................................................ 4
ANÁLISIS DEL TRANSISTOR BILPOLAR POR SIMULACIÓN ............................................... 5
RÉGIMEN DINÁMICO DEL TRANSISTOR BIPOLAR............................................................... 6
TRANSISTOR MOS ....................................................................................................................... 7
AMPLIFICADOR DE UNA ETAPA............................................................................................... 8
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL ................................................................................................. 9
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ....................................................................................... 10
EL OSCILADOR ARMÓNICO .................................................................................................... 11
GENERACIÓN DE SEÑALES ..................................................................................................... 12
IMPLEMENTACIÓN “NAND” DE UN CIRCUITO COMBINACIONAL................................. 13
IMPLEMENTACIÓN DE UN CIRCUITO COMBINACIONAL CON MULTIPLEXORES ...... 14
FLIP-FLOP D – CONTADOR SÍNCRONO ................................................................................ 15
2.001-02
2
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 0
UTILIZACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN
El objetivo de esta práctica es que el alumno tenga una primera toma de contacto con la
instrumentación del laboratorio y sea capaz de utilizar los siguientes aparatos de forma adecuada:
•
Tabla de montajes.
o
Modos de conexión
o Analógica. Criterio de colores
o Digital
•
Multímetro.
o Distintas escalas.
o Medición en corriente continua y alterna.
o Voltímetro
o Ohmnímetro
o Amperímetro
•
Fuente de alimentación.
o Presencia de dos salidas con tierra común
o Detector de cortocircuitos
o Limitador de intensidad
•
Generador de ondas.
o Distintos tipos de onda.
o Regulación de amplitud, frecuencia, forma y offset. Botón de escala de amplitud.
o Salidas de Output y Sync/TTL.
•
Osciloscopio
o Dos canales independientes: X(t) e Y(t). (CH1, CH2, Dual)
o Composición: Y(X).
o Regulación de la amplitud, offset y temporización de la señal.
o Equilibrado: AC, DC y GND, botón de ajuste de finura.
o Precauciones:
•
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§
Botones de x5, x10.
§
Sondas x1, x10.
§
Tierras no flotantes.
Componentes discretos e integrados.
3
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 1
ANÁLISIS DE UN DIODO DE UNIÓN
Utilizaremos el programa de simulación unidimensional PC-1D para estudiar las características de un
diodo en condiciones estacionarias.
1. Analizar la curvatura de las bandas, campo eléctrico, distribución de portadores y corrientes en las
siguientes situaciones:
1. Condiciones de equilibrio
2. Polarización Directa
3. Polarización Inversa
Y con las siguientes geometrías:
a) unión abrupta simétrica poco dopada (1014cm-3)
b) unión abrupta simétrica muy dopada (1018 cm-3)
c) unión abrupta asimétrica (1018 y 1014 cm-3)
d) uniones difundidas
2. Considerar las siguientes cuestiones:
a) ¿Cómo se extiende la zona de carga espacial en los casos anteriores?
b) ¿Cúal es la magnitud del campo eléctrico máximo?
c) ¿Cómo varía con la polarización externa?
d) ¿Cómo es la distribución de portadores minoritarios en polarización directa e inversa comparada
con la de equilibrio? ¿cómo se modifica con la tensión externa aplicada?
e) Modificando los tiempos de recombinación (p.e. 10-3 y 10-6 s), ¿cómo varían las magnitudes
anteriores?
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 2
ANÁLISIS DEL TRANSISTOR BILPOLAR POR SIMULACIÓN
Utilizaremos el programa de simulación unidimensional PC-1D para estudiar las características de un
transistor bipolar en condiciones estacionarias.
3. Analizar la curvatura de las bandas, campo eléctrico, distribución de portadores y corrientes en las
distintas zonas de funcionamiento (corte, activa y saturación).
Y con las siguientes geometrías:
e) Emisor: 0.1µ, 1018cm-3
f) Colector: 4.8µ, 5.1015 cm-3
g) Base: 0.1µ, 1015 – 1018 cm-3
Medir la ganancia en corriente (β) y estudiar la modulación del ancho de la base (efecto Early) a
partir de las curvas características.
4. Considerar las siguientes cuestiones:
f) ¿Cómo se extiende la zona de carga espacial en los casos anteriores?
g) ¿Cúal es la magnitud del campo eléctrico máximo?
h) ¿Cómo varía con la polarización externa?
i) ¿Cómo es la distribución de portadores minoritarios?
j) Modificando los tiempos de recombinación (p.e. 10-3 y 10-6 s), ¿cómo varían las magnitudes
anteriores?
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5
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº3
RÉGIMEN DINÁMICO DEL TRANSISTOR BIPOLAR
Utilizaremos una red de polarización básica para el BJT NPN BC549 -con resistencia en el colector y
en el emisor y un divisor de tensión en la base- , para estudiar las distintas zonas de funcionamiento.
Elegiremos VCC=10V, RE=1KΩ, RC=1KΩ, R1 y R2 variables.
1. Calcular analíticamente los valores de R1 y R2 que determinan el paso del transistor por las diferentes
regiones de funcionamiento (corte, activa y saturación). Suponer β=100, VBE)act =0.7 V y VCE)sat =0.2V.
2. Comprobar experimentalmente el apartado anterior.
3. Visualizar en el osciloscopio e interpretar la recta de carga. ¿Cómo varía si RC=5KΩ?
4. Estudiar los tiempos de conmutación del BJT cuando una señal cuadrada en la entrada le hace conmutar
entre corte y saturación. Elegir los valores de resistencias adecuados.
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 4
TRANSISTOR MOS
Utilizaremos el C.I. MC14069 para obtener las características de salida de un MOSFET de canal N,
y para estudiar sus prestaciones como amplificador.
14
2
VDD - 14
VSS - 7
1
13
6
11
3
10
8
5
7
4
1. Montar un circuito de polarización,
fijando la tensión VGS , que nos permita
obtener pares de valores (ID, VDS )
desde VDS =0 a VDS =VDD. Repetir para
varios valores de VGS . Identificar las
distintas zonas de funcionamiento.
1
2. Escoger un punto de polarización en la
zona activa y medir la ganancia en
tensión ac para una pequeña señal de
10 KHz en la configuración de fuente
común. Justificar el resultado.
8
3. Hacer un barrido en frecuencia de la
señal de entrada y representar el Diagrama de Bode.
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Prácticas nº 5
(Dos sesiones)
AMPLIFICADOR DE UNA ETAPA
1. Diseñar una etapa básica amplificadora, con un solo transistor bipolar NPN, que cumpla las siguientes
especificaciones:
Datos:
-
Tensión de alimentación VCC=10V,
-
β=100Ganancia en tensión = -5 , a frecuencia f=10KHz
-
Impedancia de entrada > 4 KΩ
-
Impedancia de salida = 3KΩ
Comprueba que se ha conseguido lo que se pedía:
a) SIMULACIÓN ELÉCTRICA DEL CIRCUITO CON PSPICE
(Se hará en el Laboratorio).
b) COMPROBACIÓN EXPERIMENTAL
•
DC :
Comienza por medir experimentalmente el punto de polarización Q=(VCE, IC).
No pases a la alterna hasta que el transistor esté bien polarizado.
•
AC :
(elige una señal ac sinusoidal de amplitud ≅ 0.1V y frecuencia=10KHz)
Observa en el osciloscopio simultáneamente la entrada y la salida. ¿Qué valor de
ganancia obtienes? Si hay alguna discrepancia con la esperada, ¿a qué puede deberse?
Mide la impedancia de entrada y la de salida utilizando resistencias auxiliares y
procediendo como se te indicará.
2. Estudia la variación de la ganancia con la frecuencia, midiendo la amplitud de la señal de salida cuando la
frecuencia se varía desde 10Hz a 10MHz. Toma varios puntos por década para representar el diagrama
de Bode. Determina experimentalmente la posición del polo a que da lugar el condensador de acoplo.
3. Determina el valor del rango dinámico de salida. Para ello aumenta lentamente la amplitud de la señal de
entrada a la vez que vas observando la salida. El valor máximo de ésta antes de que se distorsione es el
rango dinámico.
4. Coloca un condensador en paralelo con la resistencia de emisor. ¿Qué ocurre con la ganancia? Elige
adecuadamente su valor para que el polo a que da lugar quede por encima del anterior y observa de
nuevo la respuesta en frecuencia.
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 6
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
1.- Diseñar un amplificador diferencial utilizando transistores bipolares NPN integrados (CA3046), que
presente una ganancia en modo diferencial ADM=-50 y un elevado factor de rechazo al modo común.
Datos: - Tensión de alimentación VCC=±6V,
β=100
Comprueba que se ha conseguido lo que se pedía (Puedes hacer previamente el estudio por
simulación):
a) DC :
•
Comienza por la fuente de corriente. Haz las modificaciones que creas oportunas para que suministre la
corriente que queremos..
•
Conecta los BJT del par diferencial con las bases conectadas a tierra. Mide su punto de polarización
Q=(VCE, IC) , y comprueba que por cada uno de ellos pasa exactamente la mitad de la corriente que
suministra la fuente.
No pases a la alterna hasta que todos los transistores estén bien polarizados.
b) AC :
(elige una señal ac sinusoidal de amplitud ≅ 10 mV y f= 10KHz)
•
Observa en el osciloscopio la señal alterna. Se va a hacer el acoplo sin condensador, por lo que
necesitamos que su nivel de continua sea exactamente 0V. Deberás observarla en modo el DC del
osciloscopio. Para ajustar el nivel de continua utiliza el botón offset del generador. ¿Por qué hemos de
seleccionar una entrada tan pequeña?
•
Desconecta la toma a tierra de una de las bases y coloca en ese punto la señal que hemos elegido.
•
Observa en el osciloscopio simultáneamente la entrada y la salida y determina el valor de la ganancia.
¿Cuánto valdrá ADM? (ten en cuenta cuál es la señal diferencial en este caso).
•
Conecta la misma señal de entrada en las dos bases del par diferencial y observa la salida. ¿Cuánto vale
ACM? Sustituye la fuente de corriente del emisor por una resistencia y compara el valor que obtienes de
ACM.
2. Mide el nivel de continua que tienes en la salida. Diseña una etapa desplazadora de nivel para hacer que
dicho nivel sea Vo=0±50mV, con una impedancia de salida inferior a 500Ω. Mide de nuevo el punto de
polarización de todos los transistores, y el nivel de continua a la salida. A continuación observa la señal de
salida antes y después de la etapa desplazadora. Justifica el resultado.
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 7
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
1. Diseñar un circuito amplificador con A.O. µA741 que cumpla las siguientes especificaciones:
Ganancia= 50
Resistencia de entrada= 10KΩ
Ancho de Banda = 100KHz
DATOS:
Tensiones de alimentación= ±10V
Principales parámetros del µA741:
Ri= 1MΩ
Ro= 75Ω
5
Ao= 2.5 10
A( jω ) =
A0
1 + j ω / ω0
f0= 10 Hz
•
Estudiar la respuesta en frecuencia del circuito amplificador, representando el Diagrama de
Bode.
•
Rediseñar el circuito para que la ganancia sea 20, y estudiar el comportamiento en frecuencia
del nuevo circuito.
•
Comparar los resultados prácticos obtenidos en ambos casos, y justificarlos teóricamente.
v0
2. Calcular la Función de Transferencia v ( jω )
i
•
•
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del circuito de la figura.
Calcular los valores de las
resistencias u condensadores para que el
circuito se comporte como derivador a
500Hz y como Integrador a 50 KHz
C2
R2
C1
Comprobar el funcionamiento a las
frecuencias indicadas, eligiendo en cada
caso la señal de entrada adecuada.
R1
-
+
∼
+
•
Representar el Diagrama de Bode
calculando teórica y experimentalmente las
posiciones de polos y ceros.
•
Indicar los rangos de frecuencia en el
que el circuito se comporta como derivador y como integrador, respectivamente.
-
Vi
Vo
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 8
EL OSCILADOR ARMÓNICO
* Objetivo: Diseñar, realizar prácticamente y comprobar la operación de un oscilador sinusoidal en puente
de Wien, analizando la dependencia de la frecuencia de oscilación y de su amplitud con los parámetros del
circuito.
Como especificaciones del diseño fijaremos una frecuencia de 10 kHz. Y una amplitud de 3 V.
* Teoría: Una de las formas de realizar un oscilador sinusoidal es la realimentación negativa de los
amplificadores. La figura adjunta representa esquemáticamente la situación. Cuando la ganancia del lazo, -βA
= 1, lo que implica que si β A = 1
y
∠β A = −180º el circuito oscila.
Un circuito oscilante que obedece este principio es el oscilador de puente de Wien, mostrado en la
Figura 2, en la que es fácil identificar β y A y calcular, en consecuencia la frecuencia de oscilación del sistema
y la ganancia mínima para que esto ocurra.
Entrada
vs
via
Amplificador
A
Salida
v0
v0
vf
P
AV
vi
3
C
Z1
Bloque de
realimentación
β
Figura 1.- Amplificador realimentado
2
R
1
vi
R
v2
R2
Z2
v0
R1
C
v1
4
* Desarrollo de la práctica:
a) Analícese el significado de la condición de oscilación.
Figura 2.- Oscilador en puente de Wien
b) Identifíquese, en el circuito de la figura 2, el amplificador principal y la red de realimentación.
Calcúlese la expresión de β y de A.
c) Aplíquese la condición de oscilación para determinar un valor de los parámetros del circuito que
cumpla las condiciones de diseño.
d) Móntese el circuito con el A.O. µA741. Es posible que tenga que añadir un atenuador a la salida para
obtener la amplitud de 3 V pedida por el diseño.
e) Compruébese que oscila . Muestre la onda al monitor de prácticas.
f) Varíe el divisor de tensión R1/R2 - ¿Qué observa y por qué?
g) Varíe el producto RC. ¿Qué observa y por qué?
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 9
GENERACIÓN DE SEÑALES
* Objetivo:
Se trata de generar formas de ondas no sinusoidales como aplicación de los operadores aritméticos
realizados con amplificador operacional: comparadores, integradores, diferenciadores ...
* Teoría:
La carga y descarga de un condensador puede ser
realizada de forma automática por un comparador realimentado.
Tal es el caso el circuito de la figura 1.
R
P
vi
C
* Realización:
AV
v0
R3
R1
R2
Figura 1.- Generador de onda cuadrada
1. Analice el comportamiento del circuito de la figura 1.
2. Con base en él, diseñe un circuito que genere una señal
cuadrada de frecuencia f=1KHz, y de ± 7,5 V de amplitud.
Analice las formas de onda en puntos significativos del
circuito. Alimente el circuito a ± 10 V y considere la
posibilidad de utilizar diodos Zener para limitar la amplitud.
3. Diseñe un circuito que genere la siguiente señal
triangular. Utilice un circuito realimentado con
comparador e integrador.
4. Localice en la bibliografía el circuito
temporizador 555 – Analice su esctructura y
aplíquelo a la realización de las formas de onda
anteriores
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 10
IMPLEMENTACIÓN “NAND” DE UN CIRCUITO COMBINACIONAL
Diseñar un circuito digital que realice la siguiente función:
a) Posea 4 entradas ABCD que introduzcan un número de 4 bits en código BCD.
b) Las salidas de este circuito se conectarán a un display (*) en el que visualizaremos lo
siguiente:
1 si la entrada en BCD tiene un valor n≤ 1
4 si la entrada en BCD tiene un valor 1<n≤ 4
7 si la entrada en BCD tiene un valor 4<n≤ 7
nada si la entrada en BCD tiene un valor 7<n≤ 9
Utilizar en el diseño exclusivamente puertas NAND.
10 9
8
7
6
3, 8 ref
a
(*) DISPLAY O VISUALIZADOR DIGITAL DE
7 SEGMENTOS
1e
f
b
2 d
g
Está formado por 7 LEDS o diodos luminosos. Sus
cátodos los conectaremos a tierra por medio de las patillas 3
y 8. Cuando el ánodo de un LED está también conectado a
referencia, este permanecerá apagado mientras que si lo
conectamos a 1.5 V (la salida de las puertas lógicas que
utilizaremos) se iluminará.
4 c
e
c
d
5 pto
6 b
7a
Notas: Asimilar cada LED del display a una función lógica
de 4 variables que son las entradas ABCD del
código BCD.
9 f
1
2
3
5
4
10 g
Probar primero las funciones lógicas
utilizando los visualizadores de la tabla, y después conectar el display. Conectar una resistencia entre
el cátodo y tierra para evitar que se queme.
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
IMPLEMENTACIÓN DE UN CIRCUITO
COMBINACIONAL CON MULTIPLEXORES
* Objetivos:
Práctica nº 11
I0
I1
Manejo y utilización de multiplexores como circuitos de
encaminamiento de información y como generadores de funciones.
Out
I2
* Teoría:
Desde el punto de vista de generación de funciones, un multiplexor
genera la función lógica f = ∑ I i M Si , donde MSi es el minterm de las
I3
i
variables de selección, S. Cualquier función de n variables puede ser escrita
en la forma anterior, donde los minterms S corresponden a n-1 variables
arbitrariamente escogidas.
S0
S1
Nótese que las variables Ii, pueden tomar el valor 0, 1, x o x’ , siendo x la enésima variable.
* Desarrollo de la práctica:
Genérese un circuito combinacional de cuatro variables que permite señalar en las salidas cuando hay
mayoría de unos en las entradas, cuando hay empate o cuando hay minoría.
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA
Práctica nº 12
FLIP-FLOP D – CONTADOR SÍNCRONO
1.- Construir un flipflop tipo D con puertas NAND – Luego un flip-flop tipo T – Comprobar el
funcionamiento de ambos.
2.- Diseñar un contador síncrono de módulo 6. Más concretamente un contador que cuente desde 1
hasta 6 en binario, evitando los situaciones de bloqueo. Hacer el diseño con el mínimo número de Flip-Flops.
Implementarlo con flip-flop tipo D. Utilizar el circuito integrado ‘173 y las puertas lógicas que sean necesarias.
El integrado ‘173 consta de 4 Flip-Flops tipo D activados por el flanco de subida y con la señal de
reloj común a todos ellos. Posee además 2 entradas de habilitación activas en baja comunes a los 4 FlipFlops IE1 e IE2, otras 2 entradas OE1 Y OE2 que cuando están en alta hacen que las salidas pasen a un
estado de alta impedancia, y por último una entrada asíncrona MR (Reset-Maestro) que pone todos los flipflops en Reset. Mirar esquema si es necesario en el catálogo
3.- A partir del contador que hemos diseñado en el apartado 2, construir un dado electrónico. Para
ello utilizar una señal de reloj con una frecuencia suficientemente grande como para que no seamos capaces
de leer los estados por los que pasa el contador. Por tanto, lo único que habría que diseñar sería la manera
de poder “tirar el dado”, es decir la manera de que el contador se ponga a contar, y de pararlo.
NOTAS:
La señal de reloj que introduciremos en los Flip-Flops será una señal cuadrada entre 0 y 5 Voltios. El
generador de pulsos tiene una salida llamada TTL o SYNC que la genera.
Al hacer el diseño del circuito, distinguir entre la parte combinacional y la parte de realimentación
(Flip-Flops). Montar primero la parte combinacional, comprobar que funciona, y después introducir los FlipFlops D.
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