Segundo informe de laboratorio de electrónica análoga

SEGUNDO INFORME DE LABORATORIO

DE ELECTRÓNICA ANÁLOGA

Estudiante

LAURA CATALINA ROZO GARCIA

Código 1401533

Presentado a

Ing. CARLOS OMAR RAMOS L., Ms. C.

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES

BOGOTÁ, ABRIL 2023

1. INTRODUCCIÓN

En este trabajo se integran los conocimientos adquiridos con respecto al transistor, su diseño y polarización, se realizan sus respectivos montajes, simulaciones y cálculos, con el objetivo de poder hacer uso de este elemento en futuros montajes electrónicos.

Se usan las herramientas y programas, tales como, LTSpice, proteus y Excel, este último para llevar el registro de los procedimientos matemáticos, para así, poder comparar los resultados experimentales, calculados y simulados.

Para las prácticas se aplican los conceptos de diseño para los transistores BJT y FET, en corriente directa (DC) y corriente alterna (AC).

1. MARCO TEÓRICO

1. TRANSISTOR BJT

William Shockley y John Bardeen fueron los responsables de la creación del transistor de unión bipolar (BJT). A pesar de que el primer transistor se creó hace 70 años, los pequeños teléfonos inteligentes han reemplazado a las computadoras misteriosamente grandes como la tecnología dominante en el mundo actual.

El desarrollo del transistor transformó la idea de los circuitos eléctricos en circuitos integrados (CI). Debido a la adopción de la tecnología CMOS en el desarrollo de circuitos integrados digitales, el uso de BJT está disminuyendo en la actualidad.

Un dispositivo semiconductor de tres terminales con dos uniones p-n que puede amplificar o magnificar una señal se conoce como transistor de unión bipolar (BJT).

El transistor bipolar es un componente electrónico controlado por corriente. Según el tipo de conexión, la corriente se mueve del Emisor al Colector o del Colector al Emisor. En el Terminal Base, una corriente muy pequeña regula esta corriente principal.

Los transistores bipolares contienen dos tipos diferentes de material semiconductor, uno positivo (tipo p) y el otro negativo (tipo n), los cuales se utilizan para conducir corriente.

[pic 1]

Ilustración 1. Símbolos del BJT, según su construcción (Imagen recuperada de: https://electronicaonline.net/componentes-electronicos/transistor/transistor-de-union-bipolar/ )

1. TRANSISTOR FET

La patente del se obtuvo tras la creación del transistor de unión bipolar (BJT), entre sus inventos estuvo el transistor de efecto de campo, desarrollado en 1951 por el inglés William Shockley.

El FET sería el transistor con las diferencias más pronunciadas respecto al transistor BJT, un transistor de unión con un polo. Los tres terminales de un transistor FET se conocen de la siguiente manera: Gate (terminal de puerta), Drain (terminal de drenaje) y Source (terminal fuente).

El funcionamiento del transistor FET se basa en cómo un nivel de voltaje controlará el comportamiento de este transistor, esta corriente se conoce como la diferencia de potencial entre el voltaje de la puerta y el voltaje de la fuente, el símbolo de este voltaje de control es 𝑉𝐺𝑆, como el BJT, en el caso de los JFET existen dos tipos de estos según su tipo de canal, como se observa a continuación:

[pic 2]

Ilustración 2. Tipos de transistores JFET según su construcción. (Imagen recuperada de: https://electrotec.pe/blog/jfet)

Está claro a partir de la ilustración 2 que el tipo de conducción de electrones y la ubicación de los orificios dependen del tipo de transistor JFET y deben considerarse en consecuencia. Es importante considerar cómo estos transistores se relacionan entre sí. La siguiente ecuación de tipo potencial proporciona las magnitudes de trabajo (VGSQ e ID).

[pic 3]

Dada la altísima impedancia de entrada que tiene el transistor JFET en su terminal Gate, la amplificación de señal se destaca como una de las aplicaciones más importantes del transistor JFET en el campo de las telecomunicaciones.

1. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Es circuito integrado conocido como amplificador operacional, permite la construcción de una amplia gama de circuitos utilizando componentes externos. Los siguientes son algunos ejemplos de circuitos creados con amplificadores operacionales:

• Inversores
• No inversores
• Sumadores
• Diferenciadores
• Comparadores
• Filtros activos

Idealmente, el propósito de un amplificador es el de aumentar la amplitud de una señal, sin afectar las demás variables que componen una señal como, por ejemplo, la frecuencia. El símbolo del amplificador operacional se puede observar en la siguiente ilustración.

[pic 4]

Ilustración 3. Símbolo de un amplificador operacional. (Imagen recuperada de: https://www.ecured.cu/images/c/c3/Amplificador_Operacional123.jpg)

Como se observa en la ilustración 3, se tiene un terminal de entrada inversora (-) y una entrada no inversora (+). Los amplificadores operacionales, por lo general necesitan de un suministro de alimentación externo para su funcionamiento, el cual se observa en la ilustración 3, como VS+ y VS-, el cual se debe verificar en la hoja de datos del componente que se vaya a usar.

Usualmente los amplificadores operacionales, usan la configuración de lazo cerrado (ilustración 4), la cual corresponde a una retroalimentación desde la salida y la entrada inversora.

[pic 5]

Ilustración 4. Ejemplo de lazo cerrado en un amplificador operacional

La configuración de lazo abierto, no es muy usada, debido a que es muy inestable cuando existe una alta ganancia en el circuito.

1. OBJETIVOS

1. OBJETIVO GENERAL

Diseñar, simular e implementar los circuitos con los transistores BJT y JFET, con el propósito de observar su funcionamiento y aplicaciones en telecomunicaciones.

Simular las diferentes configuraciones de los amplificadores operacionales, para así, observar su diferente comportamiento según la señal o señales que ingresan.

1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Diseñar y simular la polarización y ganancia para un transistor BJT en Excel y LTspice.  
2. Realizar el montaje del BJT, de acuerdo con el diseño realizado.
3. Realizar el montaje de corte y saturación con el transistor BJT, con un relevo de 5A a 10 A.
4. Diseñar y simular la polarización y ganancia en AC del JFET en Excel y LTspice.
5. Realizar las simulación y diseño de los amplificadores operacionales: amplificador inversor, amplificador no inversor, sumador y restador.

1. DESARROLLO DEL LABORATORIO

1. POLARIZACIÓN TRANSISTOR BJT

En primer lugar, para esta práctica se obtendrá la gráfica característica de un transistor BJT, siendo para este caso la extracción de la gráfica característica del 2N3904. Este grafico es muy práctico al momento del diseño de circuitos para la amplificación de pequeñas señales AC, a continuación, en la ilustración 5, se muestra el esquema usado para la obtención de la gráfica en LTspice.

[pic 6]

Ilustración 5. Circuito básico de polarización para el transistor BJT.

De este circuito, se extrae la gráfica de valores de corriente de colector respecto a los valores de voltaje de colector a emisor.

[pic 7]

Ilustración 6. Curva característica del transistor BJT.

Como se puede observar en la gráfica de la ilustración 6, existe una relación entre las corrientes de colector y base. Esta relación será la que permite saber cuál es la ganancia del transistor, según el punto de trabajo (Q), esta relación se describe matemáticamente con la siguiente ecuación:

[pic 8]

Con el objetivo de realizar una correcta aplicación de los transistores BJT como amplificadores, es importante seguir los siguientes pasos para el diseño:

• Elegir el voltaje  deseado para el diseño. [pic 9]
• Elegir la corriente   deseada para el diseño. [pic 10]
• Determinar el valor del BETA del transistor.
• Calcular el voltaje  a través de la expresión:[pic 11]

[pic 12]

• Calcular la resistencia   a través de la expresión:[pic 13]

[pic 14]

considerando que:  [pic 15]

• Seleccionar el voltaje

[pic 16]

• Calcular el valor de   de la ecuación de salida, considerando  [pic 17][pic 18]
• Calcular  de la ecuación de entrada del circuito equivalente Thévenin, suponiendo  [pic 19][pic 20]

Teniendo presente esta serie de pasos para el diseño de la polarización, se han seleccionado los siguientes valores para la polarización: ,  y  , el valor del BETA se obtiene a través de la medición con un multímetro, para esta práctica se usa un transistor 2N3904. [pic 21][pic 22][pic 23]

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