!"#$%&'()*&+,-#.+#'(/$0%1+*1(2%(!&#3%( 4*50*.%.,%"(!&%#,16.+#*"( 71%'(2%(8%#.*&*9:'(!&%#,16.+#'(( ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Componentes Electrónicos Prácticas - Laboratorio Práctica 4: Transistores ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "#$%&'(!)*+,-!.-*-##(! ! ! Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica Práctica 4: Transistores (Montaje y medida en laboratorio) Índice: 1. Material de prácticas 2. El transistor BJT en continua. Polarización 2.1. Circuito autopolarizado 2.2. Circuito de polarización con tensión de base 3. El transistor BJT como amplificador 3.1. Circuito amplificador en Emisor Común 3.2. Circuito amplificador en Colector Común Anexo. Hoja de características del transistor P2N2222 1 Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica En esta práctica se abordará el montaje y medida de circuitos con transistores BJT. Para ello, se hará uso del siguiente instrumental, disponible en el laboratorio de electrónica básica: - Fuentes de tensión. - Multímetros digitales (voltímetro y amperímetro). - Generador de señal. - Osciloscopio En el primer apartado, se analizarán dos de los circuitos de polarización más utilizados en amplificadores (circuito autopolarizado y circuito polarizado con tensión de base), evaluando las distintas zonas de funcionamiento de los transistores en función de las tensiones y resistencias del circuito de polarización. En el segundo apartado se abordará el montaje y medida de circuitos amplificadores con transistores BJT. En particular se obtendrán los principales parámetros de un amplificador en emisor común con resistencia de emisor parcialmente desacoplada y, posteriormente, de un amplificador configurado en colector común. Antes de empezar la práctica, el alumno debe leerse la hoja de características del transistor que se va a utilizar en la misma (2N2222), especialmente la asignación de pines del transistor. El datasheet se encuentra en un anexo al final de la práctica. 1. Material de prácticas El material necesario para el desarrollo de la práctica es el siguiente: - Placa de inserción. - Resistencias: 47! (2); 180!; 150!; 330!; 820! (2); 1k!; 2k2!; 5k6!. - Condensadores: 100µF (3). - Transistor BJT: NPN P2N2222. 2 Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica 2. El transistor BJT en continua. Polarización 2.1. Circuito autopolarizado El objetivo de este apartado es el montaje y medida del circuito mostrado en la figura 1. Se trata de un circuito con transistor BJT autopolarizado. 12V R1 RC 5k6 820 Q1 Q2N2222 R2 RE 820 180 0 Figura 1. Circuito autopolarizado con transistor BJT NPN Monte en la placa de inserción el circuito autopolarizado de la figura 1. Antes de conectar la alimentación del circuito asegúrese de que el transistor esté bien montado, es decir compruebe la asignación de los pines. a) Con la ayuda de los amperímetros y los voltímetros de que dispone en su puesto de trabajo rellene la siguiente tabla. Recuerde que la tensión se mide en paralelo y la corriente en serie. IB IC IE VCE VBE VBC ! Reg. Oper. b) Cambie la resistencia R2 del circuito por los valores que se detallan en la siguiente tabla y mida el resto de parámetros que le piden en la misma. Justifique los resultados obtenidos. R2 IB IC VBE VCE 330! 2k2! 3 ! Reg. Oper. Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica 2.1. Circuito de polarización con tensión de base Monte en la placa de inserción el circuito de polarización de transistor con fuente de tensión en la base que se muestra en la figura 2. 5V RC 2k2 Q1 RB Q2N2222 5k6 VB 0 0 Figura 2. Circuito de polarización con tensión de base a) Rellene la siguiente tabla, midiendo los distintos parámetros del transistor para cada uno de los valores de tensión VB que se indican. VB IB IC VCE VBE VBC Reg. Oper. 0.5V 0.7V 1V Cambie la fuente de continua VB por una tensión senoidal de 1V de amplitud, frecuencia 1kHz y valor medio no nulo de 0.7V (ajustar el offset del generador de funciones). Compruebe en vacío (conectando directamente el generador de funciones al osciloscopio) que la salida del generador es la correcta. b) Conecte la señal senoidal al circuito y mida con el osciloscopio la tensión de entrada (mídala de nuevo, pues será distinta a la obtenida en vacío) y la tensión de salida (tensión en el colector). Represente ambas señales en la gráfica adjunta. Justifique las formas de onda obtenidas. 4 Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica 5 Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica 2. El transistor BJT como amplificador En este apartado analizaremos el funcionamiento el funcionamiento del transistor BJT como componente principal de un circuito amplificador. Para ello se medirán los principales parámetros del amplificador, como son la ganancia en tensión, la ganancia en intensidad, la impedancia de entrada y la impedancia de salida. Este análisis se realizará tanto para un amplificador en configuración de emisor común como para un amplificador en colector común. 3.1. Circuito amplificador en Emisor Común Considere el circuito amplificador en emisor común con resistencia parcialmente desacoplada que se muestra en la figura 3. La tensión de entrada es una señal senoidal con una amplitud de 150mV y una frecuencia de 1kHz (offset nulo). 12V RC R1 820 5k6 v in vo Q1 C1 C2 100u Q2N2222 100u RL 1k RE1 R2 47 0 820 RE2 C3 150 100u 0 Figura 3. Circuito amplificador en emisor común con RE parcialmente desacoplada Monte el circuito de la figura 3 en la placa de inserción y ajuste la señal de entrada en vacío (conecte directamente la salida del generador de funciones al osciloscopio) Realice las siguientes medidas, orientadas a la obtención de los parámetros del amplificador. a) Ganancia de Tensión. Conecte la señal de entrada al amplificador. Conecte el canal 1 del osciloscopio a la entrada del amplificador y el canal 2 a la salida del mismo. Mida la amplitud y fase de ambas tensiones. Obtenga la ganancia de tensión como el cociente de la tensión de salida entre la tensión de entrada. vin= v0= Av = 6 Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica b) Impedancia de entrada. Para medir la impedancia de entrada necesitamos medir la tensión de entrada y la intensidad de entrada del amplificador. Esto último supone un problema, ya que el osciloscopio únicamente mide tensión. Para poder medir esta intensidad, conectaremos una resistencia externa conocida (en este caso de 47!) entre el punto de entrada del amplificador y la fuente de entrada. Conocida la tensión en ambos bornes de esta nueva resistencia podemos determinar la intensidad de entrada, que junto con la tensión de entrada (mídala de nuevo, ya que habrá cambiado respecto al punto anterior) nos proporcionan la impedancia de entrada. Recuerde que al medir la tensión con el osciloscopio, forzosamente el terminal negro de cada uno de los canales tiene que estar conectado a la tierra del circuito. vA vg 47 v in AMPLIFICADOR iin Zin Figura 4. Esquema para el cálculo de la impedancia de entrada del amplificador iin= vin= Zin= c) Ganancia de corriente Para obtener este parámetro necesitamos la intensidad de entrada y la de salida. Para poder obtener la intensidad de entrada, mantenemos el montaje del punto anterior con la resistencia externa de 47! conectada a la entrada del amplificador. La corriente de salida la podemos obtener a partir de la tensión de la impedancia de carga y teniendo en cuenta el valor de ésta (1k!). iin= i0= Ai = d) Impedancia de salida. Para obtener este parámetro, seguiremos los mismos pasos que en teoría, es decir, eliminaremos las fuentes independientes del circuito (fuente de tensión de entrada) y conectaremos una fuente de test a la salida del amplificador (sin la resistencia de carga). Obteniendo la tensión y la corriente de esta fuente tendremos la impedancia de salida. Para obtener la intensidad de la fuente de test conectaremos una resistencia externa entre la fuente y la salida del amplificador (ver circuito de la figura 5). La fuente de test tendrá las mismas características (amplitud y frecuencia) que la tensión de entrada del amplificador. 7 Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica v in AMPLIFICADOR Zout 0 0 v out 47 vt vt iout 0 Figura 5. Circuito para la obtención de la impedancia de salida del amplificador iout= vout= Zout= Considere de nuevo el circuito amplificador con resistencia de emisor parcialmente desacoplada mostrado en la figura 3. Sustituya la resistencia R2 del amplificador por una resistencia de 330!. Mida la tensión de entrada y de salida y represéntelas en la siguiente gráfica. Indique la región de funcionamiento del amplificador y justifique los resultados obtenidos. Región de funcionamiento: 8 Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica Sustituya la resistencia R2 del amplificador por una resistencia de valor 2.2k!. Dibuje de nueva las tensiones de entrada y salida del circuito. Indique la región de funcionamiento del amplificador y justifique los resultados. Región de funcionamiento: 3.2. Circuito amplificador en Colector Común En este último apartado de la práctica mediremos y analizaremos los parámetros de un amplificador basado en transistor con configuración de colector común. Se trata del circuito que se muestra en la figura 6, donde el circuito de polarización es el mismo que el utilizado en el apartado anterior. Monte el circuito en la placa de pruebas y ajuste midiendo en vacío una tensión de entrada senoidal de 150mV de amplitud, 1kHz de frecuencia y media nula. Siga las instrucciones dadas en el apartado anterior para la medida y obtención de los parámetros del amplificador y rellene la tabla adjunta. 9 Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos Área de Tecnología Electrónica 12V RC R1 820 5k6 Q1 C1 Q2N2222 v in 100u C2 v out RE1 R2 100u 47 820 RL RE2 1k C3 150 100u 0 0 Figura 6. Circuito amplificador en colector común Ganancia de Tensión vin= vout= Av= Impedancia de Entrada iin= vin= Zin= Ganancia de Intensidad iin= Iout= A i= Impedancia de Salida iout= vout= Zout= Justifique los resultados obtenidos y compárelos de forma razonada con los que ha obtenido previamente para el amplificador en configuración de emisor común. 10 P2N2222A Amplifier Transistors NPN Silicon Features x These are Pb--Free Devices* http://onsemi.com COLLECTOR 1 MAXIMUM RATINGS (TA = 25qC unless otherwise noted) Characteristic Symbol Value Unit Collector--Emitter Voltage VCEO 40 Vdc Collector--Base Voltage VCBO 75 Vdc Emitter--Base Voltage VEBO 6.0 Vdc Collector Current -- Continuous IC 600 mAdc Total Device Dissipation @ TA = 25qC Derate above 25qC PD 625 5.0 mW mW/qC Total Device Dissipation @ TC = 25qC Derate above 25qC PD 1.5 12 W mW/qC TJ, Tstg --55 to +150 qC Operating and Storage Junction Temperature Range 2 BASE 3 EMITTER TO--92 CASE 29 STYLE 17 Characteristic 1 12 THERMAL CHARACTERISTICS Symbol Max Unit Thermal Resistance, Junction to Ambient RRJA 200 qC/W Thermal Resistance, Junction to Case RRJC 83.3 qC/W 3 STRAIGHT LEAD BULK PACK 2 3 BENT LEAD TAPE & REEL AMMO PACK MARKING DIAGRAM Stresses exceeding Maximum Ratings may damage the device. Maximum Ratings are stress ratings only. Functional operation above the Recommended Operating Conditions is not implied. Extended exposure to stresses above the Recommended Operating Conditions may affect device reliability. P2N2 222A AYWW G G A = Assembly Location Y = Year WW = Work Week G = Pb--Free Package (Note: Microdot may be in either location) ORDERING INFORMATION *For additional information on our Pb--Free strategy and soldering details, please download the ON Semiconductor Soldering and Mounting Techniques Reference Manual, SOLDERRM/D. ¤ Semiconductor Components Industries, LLC, 2007 April, 2007 -- Rev. 5 1 Device Package Shipping† P2N2222AG TO--92 (Pb--Free) 5000 Units/Bulk P2N2222ARL1G TO--92 (Pb--Free) 2000/Tape & Ammo †For information on tape and reel specifications, including part orientation and tape sizes, please refer to our Tape and Reel Packaging Specification Brochure, BRD8011/D. Publication Order Number: P2N2222A/D P2N2222A ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25qC unless otherwise noted) Symbol Characteristic Min Max 40 -- Unit OFF CHARACTERISTICS Collector--Emitter Breakdown Voltage (IC = 10 mAdc, IB = 0) V(BR)CEO Collector--Base Breakdown Voltage (IC = 10 mAdc, IE = 0) V(BR)CBO Emitter--Base Breakdown Voltage (IE = 10 mAdc, IC = 0) V(BR)EBO Collector Cutoff Current (VCE = 60 Vdc, VEB(off) = 3.0 Vdc) ICEX Collector Cutoff Current (VCB = 60 Vdc, IE = 0) (VCB = 60 Vdc, IE = 0, TA = 150qC) ICBO Emitter Cutoff Current (VEB = 3.0 Vdc, IC = 0) IEBO Collector Cutoff Current (VCE = 10 V) ICEO Base Cutoff Current (VCE = 60 Vdc, VEB(off) = 3.0 Vdc) IBEX 75 -- 6.0 -- -- 10 --- 0.01 10 -- 10 -- 10 -- 20 35 50 75 35 100 50 40 ----300 --- --- 0.3 1.0 0.6 -- 1.2 2.0 300 -- -- 8.0 -- 25 2.0 0.25 8.0 1.25 --- 8.0 4.0 50 75 300 375 5.0 25 35 200 -- 150 -- 4.0 Vdc Vdc Vdc nAdc mAdc nAdc nAdc nAdc ON CHARACTERISTICS DC Current Gain (IC = 0.1 mAdc, VCE = 10 Vdc) (IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc) (IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc) (IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, TA = --55qC) (IC = 150 mAdc, VCE = 10 Vdc) (Note 1) (IC = 150 mAdc, VCE = 1.0 Vdc) (Note 1) (IC = 500 mAdc, VCE = 10 Vdc) (Note 1) hFE Collector--Emitter Saturation Voltage (Note 1) (IC = 150 mAdc, IB = 15 mAdc) (IC = 500 mAdc, IB = 50 mAdc) VCE(sat) Base--Emitter Saturation Voltage (Note 1) (IC = 150 mAdc, IB = 15 mAdc) (IC = 500 mAdc, IB = 50 mAdc) VBE(sat) -- Vdc Vdc SMALL--SIGNAL CHARACTERISTICS Current--Gain -- Bandwidth Product (Note 2) (IC = 20 mAdc, VCE = 20 Vdc, f = 100 MHz)C fT Output Capacitance (VCB = 10 Vdc, IE = 0, f = 1.0 MHz) Cobo Input Capacitance (VEB = 0.5 Vdc, IC = 0, f = 1.0 MHz) Cibo Input Impedance (IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz) (IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz) hie Voltage Feedback Ratio (IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz) (IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz) hre Small--Signal Current Gain (IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz) (IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz) hfe Output Admittance (IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz) (IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz) hoe Collector Base Time Constant (IE = 20 mAdc, VCB = 20 Vdc, f = 31.8 MHz) rbcCc Noise Figure (IC = 100 mAdc, VCE = 10 Vdc, RS = 1.0 k8, f = 1.0 kHz) NF 1. Pulse Test: Pulse Width $ 300 ms, Duty Cycle $ 2.0%. 2. fT is defined as the frequency at which |hfe| extrapolates to unity. http://onsemi.com 2 MHz pF pF k8 X 10 --4 -- mMhos ps dB P2N2222A ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25qC unless otherwise noted) (Continued) Symbol Min Max Unit (VCC = 30 Vdc, VBE(off) = --2.0 Vdc, IC = 150 mAdc, IB1 = 15 mAdc) (Figure 1) td -- 10 ns tr -- 25 ns (VCC = 30 Vdc, IC = 150 mAdc, IB1 = IB2 = 15 mAdc) (Figure 2) ts -- 225 ns tf -- 60 ns Characteristic SWITCHING CHARACTERISTICS Delay Time Rise Time Storage Time Fall Time SWITCHING TIME EQUIVALENT TEST CIRCUITS +30 V +30 V 1.0 to 100 ms, DUTY CYCLE | 2.0% +16 V 0 --2 V 200 +16 V 0 < 2 ns 1 k8 CS* < 10 pF --14 V 1.0 to 100 ms, DUTY CYCLE | 2.0% < 20 ns 1k --4 V Figure 2. Turn--Off Time 1000 700 500 hFE , DC CURRENT GAIN CS* < 10 pF 1N914 Scope rise time < 4 ns *Total shunt capacitance of test jig, connectors, and oscilloscope. Figure 1. Turn--On Time 200 TJ = 125qC 300 200 25qC 100 70 50 --55qC 30 VCE = 1.0 V VCE = 10 V 20 10 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 3.0 5.0 7.0 10 20 30 IC, COLLECTOR CURRENT (mA) Figure 3. DC Current Gain http://onsemi.com 3 50 70 100 200 300 500 700 1.0 k VCE , COLLECTOR--EMITTER VOLTAGE (VOLTS) P2N2222A 1.0 TJ = 25qC 0.8 0.6 IC = 1.0 mA 10 mA 150 mA 500 mA 0.4 0.2 0 0.005 0.01 0.02 0.03 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 IB, BASE CURRENT (mA) 2.0 3.0 5.0 10 20 30 50 Figure 4. Collector Saturation Region 200 100 70 50 tr @ VCC = 30 V td @ VEB(off) = 2.0 V td @ VEB(off) = 0 30 20 10 7.0 5.0 200 tcs = ts -- 1/8 tf 100 70 50 tf 30 20 10 7.0 5.0 3.0 2.0 5.0 7.0 10 200 300 20 30 50 70 100 IC, COLLECTOR CURRENT (mA) 500 5.0 7.0 10 Figure 5. Turn--On Time 6.0 RS = OPTIMUM RS = SOURCE RS = RESISTANCE IC = 1.0 mA, RS = 150 8 500 mA, RS = 200 8 100 mA, RS = 2.0 k8 50 mA, RS = 4.0 k8 20 30 50 70 100 200 IC, COLLECTOR CURRENT (mA) 300 500 Figure 6. Turn--Off Time 4.0 10 f = 1.0 kHz 8.0 NF, NOISE FIGURE (dB) NF, NOISE FIGURE (dB) 10 8.0 VCC = 30 V IC/IB = 10 IB1 = IB2 TJ = 25qC 300 t, TIME (ns) t, TIME (ns) 500 IC/IB = 10 TJ = 25qC IC = 50 mA 100 mA 500 mA 1.0 mA 6.0 4.0 2.0 2.0 0 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 5.0 10 20 0 50 50 100 100 200 500 1.0 k 2.0 k 5.0 k 10 k 20 k f, FREQUENCY (kHz) RS, SOURCE RESISTANCE (OHMS) Figure 7. Frequency Effects Figure 8. Source Resistance Effects http://onsemi.com 4 50 k 100 k 30 CAPACITANCE (pF) 20 Ceb 10 7.0 5.0 Ccb 3.0 2.0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 3.0 5.0 7.0 10 REVERSE VOLTAGE (VOLTS) 20 30 50 f T, CURRENT--GAIN BANDWIDTH PRODUCT (MHz) P2N2222A 500 300 200 100 70 50 1.0 Figure 9. Capacitances 0 VBE(sat) @ IC/IB = 10 0.6 COEFFICIENT (mV/qC) 0.8 1.0 V VBE(on) @ VCE = 10 V 0.4 0.2 50 70 100 RRVC for VCE(sat) --0.5 --1.0 --1.5 RRVB for VBE --2.0 VCE(sat) @ IC/IB = 10 0.1 0.2 3.0 5.0 7.0 10 20 30 IC, COLLECTOR CURRENT (mA) +0.5 TJ = 25qC V, VOLTAGE (VOLTS) 2.0 Figure 10. Current--Gain Bandwidth Product 1.0 0 VCE = 20 V TJ = 25qC 50 100 200 0.5 1.0 2.0 5.0 10 20 IC, COLLECTOR CURRENT (mA) --2.5 500 1.0 k 0.1 0.2 Figure 11. “On” Voltages 0.5 1.0 2.0 5.0 10 20 50 100 200 IC, COLLECTOR CURRENT (mA) Figure 12. Temperature Coefficients http://onsemi.com 5 500 P2N2222A PACKAGE DIMENSIONS TO--92 (TO--226) CASE 29--11 ISSUE AM A B STRAIGHT LEAD BULK PACK R P L SEATING PLANE K D X X G J H V C 1 SECTION X--X N NOTES: 1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ANSI Y14.5M, 1982. 2. CONTROLLING DIMENSION: INCH. 3. CONTOUR OF PACKAGE BEYOND DIMENSION R IS UNCONTROLLED. 4. LEAD DIMENSION IS UNCONTROLLED IN P AND BEYOND DIMENSION K MINIMUM. DIM A B C D G H J K L N P R V INCHES MIN MAX 0.175 0.205 0.170 0.210 0.125 0.165 0.016 0.021 0.045 0.055 0.095 0.105 0.015 0.020 0.500 -----0.250 -----0.080 0.105 -----0.100 0.115 -----0.135 ------ MILLIMETERS MIN MAX 4.45 5.20 4.32 5.33 3.18 4.19 0.407 0.533 1.15 1.39 2.42 2.66 0.39 0.50 12.70 -----6.35 -----2.04 2.66 -----2.54 2.93 -----3.43 ------ N A R BENT LEAD TAPE & REEL AMMO PACK B P T SEATING PLANE G K D X X J V 1 C N SECTION X--X NOTES: 1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ASME Y14.5M, 1994. 2. CONTROLLING DIMENSION: MILLIMETERS. 3. CONTOUR OF PACKAGE BEYOND DIMENSION R IS UNCONTROLLED. 4. LEAD DIMENSION IS UNCONTROLLED IN P AND BEYOND DIMENSION K MINIMUM. DIM A B C D G J K N P R V MILLIMETERS MIN MAX 4.45 5.20 4.32 5.33 3.18 4.19 0.40 0.54 2.40 2.80 0.39 0.50 12.70 -----2.04 2.66 1.50 4.00 2.93 -----3.43 -----STYLE 17: PIN 1. COLLECTOR 2. BASE 3. EMITTER ON Semiconductor and are registered trademarks of Semiconductor Components Industries, LLC (SCILLC). SCILLC reserves the right to make changes without further notice to any products herein. SCILLC makes no warranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does SCILLC assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation special, consequential or incidental damages. “Typical” parameters which may be provided in SCILLC data sheets and/or specifications can and do vary in different applications and actual performance may vary over time. All operating parameters, including “Typicals” must be validated for each customer application by customer’s technical experts. SCILLC does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. 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