Indicadores de Logros Materiales y Equipos...6. Con el osciloscopio ajuste a la salida del generador...

Universidad Don Bosco Facultad de Ingeniería Escuela de Electrónica

Instituto de Investigación e Innovación en Electrónica

Asignatura: Diseño Electrónico Analógico Guía 4: Amplificador con BJT

Lugar de Ejecución: Laboratorio de Fundamentos Generales (3.21)

Indicadores de Logros

Determina las coordenadas del punto de operación de un transistor bipolar Analizar el efecto que tiene la ubicación del punto de operación en el desempeño de todo el

circuito Diseña e implementa amplificadores de voltaje con BJT

Materiales y Equipos

1 Computadora con acceso a internet, la máquina virtual FEDORA 15 X64 y el software PicoScope 6 1 acceso al servidor de licencias Synopsys 1 Cable USB tipo A/B 1 Osciloscopio digital PicoScope 2204A. 2 Puntas de osciloscopio 1 Unidad PU-2000 con PU-2200 1 Multímetro 2 Puntas para multímetro 6 cables conectores de 2mm 1 Tarjeta DEGEM EB-111

Introducción Teórica Punto de Operación El término polarización es un término totalmente inclusivo de la aplicación de voltajes de DC para establecer un nivel fijo de corriente y voltaje. Para amplificadores con transistores, la corriente y voltaje de DC resultantes establecen un punto de operación en las características que definen la región que se empleará para amplificar la señal aplicada. Como el punto de operación es un punto fijo en las características, también se llama punto quiescente (abreviado punto Q). Por definición, quiescente significa quieto, inmóvil, inactivo [1]. La Figura 1 muestra una característica del dispositivo de la salida general para establecer la operación del dispositivo en cualquiera de estos u otros puntos dentro de la región activa. Las capacidades máximas se indican en las características de la Figura 1 por medio de una línea horizontal para la corriente máxima del colector (ICmax) y una línea vertical para el voltaje máximo de colector a emisor (VCEmax). La curva (PCmax) define la restricción de potencia nominal máxima en la misma figura. En el

extremo inferior de las escalas se encuentran la región de corte, definida por IB ≤ 0 A y la región de saturación, definida por VCE ≤ VCEsat. El dispositivo BJT podría ser polarizado para que opere afuera de estos límites máximos, pero el resultado de tal operación acortaría considerablemente la duración del dispositivo o lo destruiría. Si nos limitamos a la región activa, podemos seleccionar muchas áreas o puntos de operación diferentes tales como los mostrados por los puntos A, B, C y D elegidos al azar en la Figura 1.

Diseño Electrónico Analógico Guía 4 Página 2 de 17

Figura 1. Varios puntos de operación dentro de los límites de funcionamiento de un transistor.

Recta de Carga El punto donde se interceptan las curvas características del BJT con la recta de carga de la red (definida por los mismos parámetros) determinan las condiciones de operación reales de la red o punto Q, En la Figura 2a se muestran un circuito emisor común en configuración por división de voltaje y en la Figura 2b las curvas de salida, recta de carga de CD y el punto Q donde se intercepta la red y las curvas.

Figura 2. Polarización por divisor de voltaje. (a) Circuito y (b) selección de punto Q.

El punto Q puede moverse a través de la recta de carga aumentando o disminuyendo el valor de la

corriente de base modificando las resistencias de entrada R1 y/o R2, en la Figura 3a se muestra este

comportamiento. También es posible alterar la recta de carga ya sea solamente cambiando la pendiente


de esta modificando los valores de la resistencia de colector y/o la del emisor (Figura 3b) o moviéndola

de posición al cambiar el voltaje de alimentación de la red VCC (Figura 3c).

(a) (b) (c)

Figura 3. Movimiento del punto Q. (a) variando Ib al modificar R1 y/o R2, (b) Cambiando la pendiente de

la recta de carga al modificar RC y/o RE y (c) Moviendo la recta de carga al variar el valor de VCC.

Al analizar la red DC de la Figura 2a se obtienen las siguientes ecuaciones:

𝑅𝑇ℎ = 𝑅1||𝑅2 (1)

𝐸𝑇ℎ = 𝑅2𝑉𝐶𝐶

𝑅1+𝑅2 (2)

𝐸𝑇ℎ = 𝑉𝐵𝐸 + 𝐼𝐶 (𝑅𝑇ℎ

𝛽+ 𝑅𝐸) (3)

𝑅1 =𝑅𝑇ℎ𝑉𝐶𝐶

𝐸𝑡ℎ (4)

𝑅2 =𝑅𝑇ℎ

1−𝐸𝑇ℎ𝑉𝐶𝐶

(5)

𝑅𝐶𝐷 = 𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 (6)

𝐼𝐵 = 𝐸𝑇ℎ−𝑉𝐵𝐸

𝑅𝑇ℎ+(𝛽+1)𝑅𝐸 (7)

𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 (8)

𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶(𝑅𝐶 + 𝑅𝐸) (9)

En DC debido a que los capacitores se comportan como circuito abierto, RL no afectaba la recta de carga,

en AC si, en la Figura 4 se muestra la recta de carga AC, el punto donde se interceptan ambas rectas es el

que debe escogerse para que el amplificador tenga la máxima excursión de salida posible.

Figura 4. Rectas de carga DC y AC.


El punto Q de máxima excursión está definido por:

𝐼𝐶𝑄 =𝑉𝐶𝐶

𝑅𝐶𝐴+𝑅𝐶𝐷 (10) y 𝑉𝐶𝐸𝑄 = 𝐼𝐶𝑄𝑅𝐶𝐴 (11)

Obteniéndose un valor de salida (ignorando las no linealidades de saturación y corte) igual a

𝑉𝑜𝑢𝑡(𝑝 − 𝑝) = 2𝐼𝐶(𝑅𝐶||𝑅𝐿) (12)

Al realizar el análisis AC del circuito de la Figura 2a se obtienen las siguientes ecuaciones:

𝐴𝑉 = −𝑅𝐿||𝑅𝐶

𝑅𝐸 (13)

𝑍𝑖𝑛 = 𝑅1||𝑅2||𝛽(𝑟𝑒 + 𝑅𝐸) (14)

𝑅𝐶𝐴 = 𝑅𝐶||𝑅𝐿 + 𝑅𝐸 (15)

𝑟𝑒 =26𝑚𝑣

𝐼𝐶 (16)

𝑍𝑜𝑢𝑡 = 𝑅𝐶 (17)

Procedimiento de diseño de amplificador con divisor de tensión (tomado de [2]) Paso 1. Asumir RL=RC Paso 2. De la fórmula de ganancia (13) despejar RE temporal Paso 3. Con las ecuaciones (6) y (15) calcular RCD y RCA respectivamente Paso 4. Calcular IC par una máxima excursión con la ecuación (10) Paso 5. Calcular re con (16) Paso 6. Calcular RE final restando de la RE temporal el valor de re Paso 7. Utilizar el criterio de diseño que dice que RTh=0.1βRE(siempre y cuando no se den requerimientos de ganancia de corriente o resistencia de entrada para el diseño) Paso 8. Calcular Eth con (3) y luego R1 y R2 con (4) y (5)

Procedimiento Parte I: Punto de trabajo de CD del transistor

1. Introduzca la tarjeta EB-111 al PU-2000 por las guías hasta el conector.

2. Arme el circuito de la Figura 5, pero no conecte aún el puente que une a PS-1 con el circuito ya que se va a medir valores resistivos, mida con el óhmetro el valor de los siguientes resistores: R11=__________Ω R12=__________Ω R14=__________Ω R16=__________Ω


Figura 5. Amplificador con transistor BJT.

3. Anote además el código del transistor: ____________.

4. Sin colocar aún el puente que une a PS-1 con el circuito, mida con el óhmetro la combinación de RV3 con R11, gire la perilla hasta obtener un valor de 50 kΩ.

5. Mida con el voltímetro la fuente PS-1, ajústela a 10V y conéctela al circuito tal como se muestra en la Figura 5, tenga cuidado de no girar el potenciómetro RV3 que ya había ajustado.

6. Con el osciloscopio ajuste a la salida del generador de señales (OUTPUT HI) del PU-2200 una onda senoidal de 1.5 Vp-p, 1 kHz y 0 V de Offset, recuerde poner las puntas del osciloscopio en x1 y en el osciloscopio colocar la vista en acople DC para ambos canales y el Disparo en Auto.

7. Conecte la señal senoidal a la entrada del circuito, en el punto Vin de la Figura 5, el terminal de Common del generador no es necesario conectarlo al terminal de tierra del circuito, ya que internamente está conectado a las demás tierras del PU que ya están conectados a la tarjeta.

8. Observe en el osciloscopio tanto la señal de entrada como la de salida (punto Vout en la Figura 5) y dibuje las formas de onda obtenidas en el oscilograma de la Figura 6, indicando los valores máximos y mínimos de cada una. Recuerde colocar las escalas de voltaje y tiempo que utilizó.


Canal A: _________V Canal B: ________V s/div: _______

Figura 6. Señal de entrada y salida del circuito de la Figura x para RV3+R11= 50 kΩ

9. Calcule el valor de ganancia del amplificador 𝐴 𝑉 = 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛 = _________.

10. Mida con el voltímetro el valor de voltaje entre colector y emisor VCE: _____ V

11. Retire el puente que une a R14 con el colector y coloque ahí el amperímetro para medir la

corriente IC: ______mA. Desconecte el amperímetro y coloque de nuevo el puente

12. Retire el puente que une a PS-1 con el circuito y también desconecte el generador de señales. Mida con el óhmetro la combinación de RV3 con R11, gire la perilla hasta obtener un valor de 75 kΩ.

13. Reconecte el puente que une a PS-1 con el circuito y el generador de señales en el punto Vin del circuito de la Figura 5.

14. Observe en el osciloscopio tanto la señal de entrada como la de salida y dibuje las formas de onda obtenidas en el oscilograma de la Figura 7.



Figura 7. Señal de entrada y salida del circuito de la Figura x para RV3+R11= 75 kΩ.


16. Retire el puente que une a R14 con el colector y coloque ahí el amperímetro para medir la corriente IC: ______mA. Desconecte el amperímetro y coloque de nuevo el puente.

17. Retire tanto el puente que une a PS-1 con el circuito como el del generador de señales.

18. Cortocircuite la resistencia R11 con un puente, y ajuste RV3 para obtener un valor de 35 kΩ

19. Reconecte los puentes de PS-1 y del generador, observe las señales de entrada y salida y dibújelas en el oscilograma de la Figura 8.



Figura 8. Señal de entrada y salida del circuito de la Figura x para RV3+R11= 35 kΩ.


21. Retire el puente que une a R14 con el colector y coloque ahí el amperímetro para medir la corriente IC: ______mA.

22. Apague el PU-2000, desconecte el circuito y retire la tarjeta.

Parte II: Diseño de Amplificador de voltaje

23. Siguiendo los pasos para el diseño de un amplificador de voltaje con BJT sugeridos por [2] y que se muestran en la introducción teórica, diseñe un amplificador emisor común en configuración de divisor de tensión (Figura 2a) con una ganancia de tensión de AV=-6, RL=6 kΩ, VCC=12V. Los capacitores de entrada y salida se utilizarán de 10uF

24. La prueba del circuito diseñado se hará con el entorno de Synopys, para ello ejecute el programa

VMware y corra la máquina virtual llamada Fedora 64-bit (usuario: usuario 0 y contraseña:

usuario).

25. Una vez cargado el sistema operativo Fedora, cree dentro de la carpeta de Documents una

carpeta para almacenar todo lo que haga en la práctica, una vez creada de clic en el ícono de

LXTerminal y en la ventana que se abre digite el comando custom_compiler y presione Enter.

26. A continuación, se creará una nueva librería para las celdas a realizar durante la práctica, para ello

en la ventana de Custom Compiler de clic en el menú Tools y luego en la opción Library Manager,

se abrirá la pestaña que se muestra en la Figura 9.


Figura 9. Ventana Library Manager - Custom Compiler.

27. En esta pestaña de clic en el menú File, luego en la opción New y finalmente en Library…, se abrirá

una ventana como la que se muestra en la Figura 10. Coloque un nombre a la librería y elija como

directorio la carpeta que creó en el paso 25. Presione el botón OK.

Figura 10. Ventana New Library.

28. Para crear una vista de celda, seleccione en el menú File de la pestaña de Library Manager (Figura

9) la opción New y CellView…, en la ventana que se abre en la opción “Libraries” seleccione el

nombre de la librería que creó, en la opción “Cell Categories” seleccione “All”, abajo en “Cell


Name” coloque un nombre para la celda, en la opción “View Name” seleccione “schematic” y

automáticamente en la opción “Editor” se colocará “Schematic Editor” (Ver Figura 11).

Figura 11. Ventana New CellView.

29. Presione el botón OK, se abrirá el editor para crear el esquemático del circuito. El circuito a

implementar es el que se muestra en la Figura 12, colocando obviamente los valores de resistencia

R1, R2, RC y RE que usted calculó.

Figura 12. Amplificador de voltaje con BJT.


30. Para agregar los elementos en el editor debe dar clic en el menú Add y luego en la opción

Instance…, o de manera más simple presionando la tecla “I”. El primer elemento a agregar será

una fuente de voltaje senoidal que se encuentra en la librería analogLib con el nombre de celda

vsin. Esta fuente se deberá configurar para tener una amplitud de 0.1 V, una frecuencia de 1000

Hz y si se desea se le puede colocar un nombre para distinguirla, para ello ingrese en la ventana

Add Instance la información que se muestra en la Figura 13.

Figura 13. Ventana Add Instance para fuente de voltaje senoidal.

31. Una vez colocados todos los parámetros no cierre la ventana, sino que, de un clic en alguna parte

del esquemático para colocar la fuente creada, como podrá observar es posible seguir insertando

más elementos de este tipo, como solo se necesita uno presione la tecla ESC para cerrar la ventana

Add Instance.

Nota: Si se necesita mover de posición el elemento simplemente se da clic izquierdo con el mouse sobre

este y sin soltar el botón se arrastra hasta la posición deseada y se suelta el botón. Si se necesita girar se

debe de dar un clic en el elemento para seleccionarlo y luego presionar la tecla “R” y si necesita invertir

la imagen como espejo se presiona “shift+R”.

32. Ingrese ahora una fuente DC, para ello presione la tecla I, seleccione la librería analogLib y la celda

vdc, coloque como DC Voltage: 12 V y coloque la fuente en algún lugar del editor, no presione la

tecla ESC ni cierre la ventana Add Instance ya que se introducirán otros elementos.


Figura 14. Ventana Add Instance para fuente DC.

33. Una vez colocada la fuente, siempre en la librería analogLib busque la celda gnd y coloque uno de

estos elementos en el editor.

34. Para el transistor ubique la librería SAED_PDK_90 y la celda: vnpn y coloque el elemento en el

editor.

35. Ingrese con los valores de capacitancia y resistencia que da el editor por defecto dos capacitores

(librería analogLib y celda: cap) y 5 resistores (librería analogLib y celda: res).

36. Presione el botón Cancel en la ventana de Add Instance para cerrarla y de un clic sobre uno de los

resistores y luego presione la tecla “Q”, deberá abrirse una ventana para modificar los parámetros

del elemento, coloque el nombre de RL, el valor de resistencia de 6k Ohms y luego presione el

botón “Apply Changes” como se muestra en la Figura 15.

Figura 15. Ventana editor de propiedades.


37. La ventana queda abierta para solamente dar clic en otro elemento y modificar sus propiedades,

coloque los nombres y valores de resistencia de los demás resistores según sus cálculos.

38. Cambie los valores de capacitancia de los capacitores a 10u F.

39. Cierre la ventana de editor de propiedades y coloque los elementos en las posiciones indicadas

en la Figura 12 para proceder a unirlos.

40. Para unirlos presione la tecla “W” o de clic en el ícono “Add Wire” que tiene la siguiente forma

, luego de un clic izquierdo en uno de los extremos de uno de los elementos a unir y luego de

otro clic en el extremo del otro elemento (puede dar clics intermedios para que el alambre vaya

tomando alguna dirección específica), al finalizar todas las uniones presione la tecla ESC para

liberar la herramienta “Add Wire”.

41. El circuito debe quedar de manera similar al mostrado en la Figura 12. Presione la tecla ESC y de

un clic sobre el alambre que sale de la fuente de voltaje senoidal y presione la letra “Q” para

colocarle como nombre Vent, seleccione la opción “Name Visibility” y presione el botón “Apply

Changes” (Ver Figura 16).

Figura 16. Colocar nombre a alambre.

42. De la misma forma coloque al alambre que se conecta a la resistencia de carga RL el nombre de

Vsal.

43. De clic en el ícono Check and Save que tiene la siguiente forma o presione las teclas Shift+X

para guardar el trabajo realizado y chequear si no ha habido algún error.

44. En la ventana de consola que se debió abrir en la parte de abajo del esquemático se deberá indicar

si ha ocurrido algún error, si todo está bien deberá aparecer al final que el diseño se ha

completado, tal como se muestra en la Figura 17. Aparece una advertencia sobre el nodo de la

base del transistor (en el esquemático el nodo aparece intermitente) ya que está avisando de que


es una sola unión y puede ser que el diseño no requiera esto, sino que los cables solo estén

cruzados y no unidos, pero como en este diseño si deben estar unidos, se deja tal cual pues no es

un error. (Si la ventana de consola no aparece vaya al inicio de la ventana del Custom Compiler y

seleccione el ícono Console).

Figura 17. Ventana de consola del Custom Compiler.

45. En la pestaña del editor del esquemático seleccione del menú Tools la opción SAE, en la ventana

que se abre seleccione del menú Setup la opción Simulator…, en esta ventana seleccione un

directorio para guardar la simulación (este debería ser la misma carpeta donde está almacenando

lo demás para que tenga todos los elementos realizados en un mismo lugar) presione Save, deje

los otros parámetros por defecto de la ventana Simulator y presione OK.

46. De nuevo en la pestaña de SAE seleccione del menú Setup la opción Analyses…, se abrirá la

ventana que se muestra en la Figura 18, ahí seleccione el tipo de análisis tran y coloque pasos de

tiempo de 0.01m y el tiempo de parada de 10m segundos, tal como se muestra en la Figura 18 y

presione OK.

Figura 18. Ventana para editar/crear análisis.

47. En la pestaña de SAE de clic en la primera celda de la columna “Expression” y luego en el ícono

“Select Output in Design” como se muestra en la Figura 19. Esto lo llevará al esquemático del

circuito donde deberá dar clic izquierdo sobre el alambre que nombró como Vent.


Figura 19. Seleccionar salidas para la simulación.

48. Dando clic en la siguiente celda de la columna “Expression” realice el mismo procedimiento para

seleccionar el alambre nombrado como Vsal.

Figura 20. Expresiones y análisis.

49. En la pestaña de SAE seleccione del menú Setup la opción Model Files…, en la ventana que se

abre de clic en el ícono de carpeta para buscar la ruta donde se encuentra el modelo del transistor

vnpn, esta ruta es la que se muestra en la Figura 21, una vez elegida presione el botón Choose.

Figura 21. Selección de ruta para el modelo.

50. En la ventana de Model Files de un clic en la primera celda de la columna “Model File” y luego en

el ícono de carpeta que va a aparecer, esto nos llevará a la carpeta indicada anteriormente, ahí se

debe seleccionar la librería donde se encuentra el modelo del transistor que es “SAED90nm.lib”,

selecciónela y presione el botón Open (Ver Figura 22).

51. Finalmente de un clic en la celda de la columna “Section” y en la lista desplegable seleccione la

opción TT_12 y presione el botón OK.

Figura 22. Ventana para seleccionar archivos del modelo.

52. En la pestaña de SAE seleccione del menú Simulation la opción Nestlist and Run, se abrirá la

pestaña de monitor de trabajo y si todo está bien deberá indicar su estado como “Finished” y

Wave View “Running” (Ver Figura 23). También aparecerá la ventana Custom Wave View

mostrando las señales de Vent y Vsal.


Figura 23. Simulación correcta del circuito: trabajo finalizado y ventana de Custom Wave View con las

gráficas obtenidas.

53. Con la opción “Vertical cursor” mida el valor de ambas señales: Vent:_____, Vsal: _____ y calcule

la ganancia del circuito: ________, para ello de clic en el ícono correspondiente y arrástrelo con

el mouse a donde desea medir (Ver Figura 24).

Figura 24. Uso del cursor vertical.


54. Cierre todas las ventanas de Synopsys y la ventana del terminal, apague correctamente la

máquina virtual de Fedora, para ello de clic en el ícono con una F que se muestra en la Figura 25,

luego en Logout y Shutdown, espere a que se apague el sistema operativo y luego proceda a

apagar la computadora física.

Figura 25. Apagar correctamente la máquina virtual.

Discusión de Resultados

1. Trace la recta de carga de DC del circuito de la Figura 5. 2. Ubique en la gráfica anterior los tres puntos “Q” que analizó durante la práctica (con RV3+R11=50

kΩ , 75 kΩ y 35 kΩ). 3. Calcule de forma teórica los puntos “Q” analizados en la práctica (Ecuaciones 7,8 y 9). Para realizar

esto utilice los valores de los componentes que determinó a través del procedimiento y para el valor de β utilice el dato que proporciona el fabricante.

4. Explique por qué no se presentan fenómenos de distorsión en la Figura 6, pero si en las Figuras 7 y 8.

5. En el circuito que diseñó calcule el porcentaje de desviación del valor de ganancia obtenido en la simulación con el valor teórico. ¿A que puede deberse esta diferencia?

Tarea Práctica

1. Diseñe e implemente en breadboard un amplificador de voltaje con BJT el cual amplifique una señal de entrada de 100mVp y 1Khz a 3.0 Vp± 5.0% a la salida para una resistencia de carga de 100Ω.

Bibliografía [1] Boylestad, R. y Nashelsky, L,. (2009). Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. Estado de México, México. Prentice Hall. [2] Savant, C., Roden, M., y Carpenter G,. (2000). Diseño Electrónico: Circuitos y Sistemas. Estado de México, México. Prentice Hall. [3] Degem Systems, (1993). Curso EB-111 Fundamentos de los semiconductores I. I.T.S Inter Training Systems Ltd.

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