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Trabajo de circuitos

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  • 1. IEI análisis o diseño de un amplificador a transistor requiere de un conocimiento tanto para larespuesta en de como para la respuesta en ae del sistema. Muy a menudo se asume que un transistor es un dispositivo mágico que puede elevar el nivel de una señal de entrada deac, sin la asistencia de una fuente externa de energía. En realidad, el nivel de potencia de salida de ac mejorado es el resultado de una transferencia de energía desde las fuentes de dc aplicadas. Por tanto, el análisis o diseño de cualquier amplificador electrónico tiene dos comPonentes: la porción de de Y la Porción de Be. Por fortuna,~l reorema.sk la superposición puede aplicarse y la investigación de las condiciones de dc puede separarse por completo de la respuesta de ac. Sin embargo, se debe tener en cuenta que durante el estado ~e diseño o sí1)tesis, la elección de los parámetros para los niveles requeridos de dc afectarán la respuesta en ac, y viceversa. El nivel de dc de un transistor en operaciÓD es controlado por diversos factores; incluyendo el rango de puntos de operación posibles sobre las características del dispositiv~n la sección 42 se especifica el rango para el amplificador a BJTA;na vez definidos los niveles de voltaje / y de corriente de de, se debe construir una red que establecerá el punto de operación deseadol en este capítulo se analizan varias de estas rede~ada diseño también determinará la estabilidad del sistema, es decir, qué tan sensible es el sistema a las variaciones de temperatura/Este aspecto también se investigará en una sección posterior del px;sente capítulo. Aunque en este capítulo se analiza cierta cantidad de redes(existeuna similitud fundamental entte el análisis de cada configuración debido al uso recurrente de las siguientes relaciones básicas. que son importantes para un transistor: VBE = 0.7 V :z (4.1) (4.2) (4.3) Una vez que estén analizadas las primeras redes, la solución de las siguientes se tomará más clara. En la mayoría de los casos la corriente base lB es la primera cantidad que debe determinarse. Una vez que lB se conoce. las relaciones de las ecuaciones (4.1) a (4.3) pueden aplicarse para e~contrar las cantidades de interés restante!/.Las similitudes en el análisis serán inmediatamente obvias segtín vaya avanzando en este capítul<A..as ecuaciones para J B son tan familiares para una cantidad de configuraciones que una ecuación puede derivarse de otra sólo
  • 2. con eliminar o añadir uno o dos término~ principal función de este capítulo es desarrollarun nivel de familiaridad con el transistor BIT, el cual podría permitir un análisis en de decualquier sistema que pueda utilizar el amplificador a BIT.das entre los diversos puntos mostrados en la figura O para presentar algunas ideas básicas acerca del4.2/PUNTO DE OPERACIÓN punto de operación y, por tanto,El término polarizacilmAúe aparece en el título de este capítu~s un término que comprende todo lorelacionado para la aplicación de voltajes de de, que ayudan a establecer UD nivel fijo de comentey voltaje. Para los amplificadores a transiston:s el voJtaje y corriente de de n:sulrantes establecenun punto de operación sobre Jas caracteristicas que definen una región que se utilizará para laamplificación de la señal a.plicada. Debido a que el punto de operación es un punto fijo sobre lascaracterísticas, también se le llama punro de reposo (abreviado punto Q, por la sigla en inglés de,quiescenr point). La figura 4.1 muestra una caracteristica general de salida de un dispositivo concuatro puntos de operación indicados. El circuito de polarización puede diseñarse para establecer laoperación del dispositivo en cualquiera de estos puntos o de otros dentro de la región activa. Loshorizontal para la corriente máxima del colector 1 c-. .valores máximos están indicados en las características de la figura 4.1 mediante una línea y una línea verticalcuando sea el volUije máximo del colector-emisor V CE..... La restricción de máxima potencia sedefme por la curva P e........, en la misma figura. En el extremo inferior de las escalas se encuentrala región de corte, definida por le:S; O J1A, Y la región de saturación, definida por VCE:S;VCE... El dispositivo BIT puede estar en polarización para operar fuera de estoS límites máximos,pero el resultado de tal operación podría ser un recorte considerable de la vida del dispositivo, obien la destrUcción de} dispositivo. Cuando se confina la región aCtiva pueden seleccionarsemuchas áreas o puntos de operación diferentes. El punto Q que se elige a menudo depende delempleo del circuito. De cualquier manera, se pueden considerar algunas diferen del circuito de polarización. Si no se utilizara Ja PQlarización, el dispositivo estaría al principio completamente apagado, dando por resultado un punto Q en A, es decir, cero corriente a través del dispositivo (y cero voltaje a través de él). Debido a que es necesario polarizar un dispositivo de forma que pueda responder al rango completo de la señal80 pA de entrada, el punto A no sería precisamente el adecuado. Para el punto B, si la señal se aplica al circuito, eJ dispositivo tendrá una variación en corriente y voltaje desde el punto de , 50 ¡¡A operación. permitiendo al dispositivo reaccionar (y posi- l... blemente amplificar) tanto ante las lé excursiones positivas como " negativas de Ja señal de 30pA entrada. Si la señal deSaturació B entrada se elige correctamente,n el 1JJ P A voJtaje y la corriente del 1- dispositivo ten- r 10 l A drán variación, e I pero no la para llevar al dispositivo hacia ¡ I el I suficiente como corte o a la A I IB.OpA saturación. El punto e Ofi s IS 20 Vc.!,.. permitiría 10 , I cierta variación positiva Cone y negativa de la señal vc...... de salida, pero el valor pico a F"agnra 4.1 Varios puntos de operación dentro de los límites de operación de un transistor, pico :r. estaría limitado por la proximidad de V CE = O V l/e" O mA. La operación en el punto e también acarrea inquietud acerca de las no linealidades presentadas por el hecho de que hay un cambio rápido en las curvas de lB en esta región. En general, es preferible operar donde la ganancia del dispositivo es muy constante (o lineal) para asegurar que la amplificación a
  • 3. través de la excursión completa de la señal de entrada es la misma. El punto B es una región de espaciamiento más lineal y, por tanto, de operación más lineal, según se muestra en la figura 4.1. El punto D establece el sitio de operación del dispositivo cerca del nivel de voltaje y potencia máxima. La excursión del voltaje de salida en Ja dirección positiva se en cuentra entonces limitada para no exceder el voltaje máximo. Por tanto, el punto B parece ser el mejor punto de operación en ténninos de ganancia lineal y la excursión más grande posible de voltaje y corriente. Ésta es por lo general la condición deseada para los amplificadores de pequeña señal (II8f!ÍlUlo i), pero no necesariamente es el caso para los amplificadores de potencialos cuales serán considerados en el capítUlo 1 ~ este análisis, nos concentramos básicamente en la polarización del transistor para la operación de amplificación en pequeña señal. Existe otro factor para la polarización muy imponante que todavía debemos considerar. Una vez que seleccionamos y polarizamos el BIT en un punto de operación. también debe. tomarse en cuenta el efecto de la temperatura. Este factor ocasiona que cambien los parámetros, como la ganancia en corriente del transistor (/3ac) y la coniente de fuga del transistor (ICEO) Las mayores temperaturas dan como resultado mayores corrientes de fuga en el dispositivo, causando un cambio en la condición de operación establecida por la red de polarización. El resultado es que el diseño de la red debe ofrecer también un grado de estabilidad en temperatura, de tal forma que dichos cambios ocasionen la menor cantidad de modificaciones en el punto de operación. La estabilidad del punto de operación puede especificarse mediante un factor de estabilidad S, el cual indica el grado de cambio en el punto de operación debido a una variación en ]a temperatUra. Es mejor un circuito de gran estabilidad; comparada con la estabi- lidad de varios circuitos polarizados. Para que el BIT esté polarizado en su región lineal o de operación activa, Jos siguientes puntos deben resultar exactos: l. La unión base-emisor debe tener una polarización <tirecta (voltaje de la región p más positivo) con un voltaje de polarización directa resultante de aproximadamente 0.6 a 0.7 V. 2. La unión base-colecror debe tener una polarización inversa (voltaje de la región n más positivo) con un voltaje de polarización inversa resultante de cualquier valor dentro de los límites máximos del diSpositivo./ [Obsérvese que para la polarización directa el voltaje a través de ).1 unión pon es p-positiva, mientras que para la polarización inversa es opuesto (inverso) con n-positiva. Este énfasis sobre la letra inicia] debe ofrecer un medio para ayudar a memorizar Ja polaridad necesaria de voJtaje.J / La operación en las regiones de corte, saturación y lineal de las características del BIT se ofrecen de la siguiente manera: l. Operación en la región liMal: Unión base-emisor con poJarización directa Unión base-colector con polarización inversa
  • 4. 2. Operación en la región de corte: Unión base-emisor con polarización inversa3. Operación en la región de saturación: Unión base-emisor con polarización directa Unión base-colectOr con polarización directa4.3 CIRCUITO DE POlARIZACiÓN FIJAE] circuito de polarización fija de ]a figura 4.2 ofrece una introducción relativamente directa ysimple al análisis de la polarización en dc de transistores. Aunque la red utilice un transistor npn,las ecuaciones y los cálculos se pueden aplícar con facilidad a ]a configuración con transistor pnp,con e] solo becho de cambiar todas las direcciones de corriente y los voltajes de polarización. Lasdirecciones de corriente de la figUT3 4.2 son las reales. y los voltajes están definidos por lanotación estándar de doble subíndice. Para el análisis en dc, la red debe aislarse de los niveles deac, reemplazando los capacitores por un equivalente de circuito abierto, Más adelante, la fuente Vcc de de puede separarse en dos fuentes (para propósitos de análisis solamente), como se muestraen la figura 4.3, para permitir una separación de los circuitos de entrada y de salida. Tambiénreduce la unión de las dos corrienre que fluyen hacia la base lB Como se observa,la separación esválida, como lo muestra la figura 4.3, donde V cc está conectada directamente a RB y Rc,justocomo en la figura 42. ~ señal de ~ salida e C2 en ac +seña! deenaada o J CIenac B+ Jr f1gura 4.2 Circuito de polarización fija. ¡¡¡:. figura 4.3 Equivalente de de de la figura 4.2.Polarización directa base-emisorConsidere primero la malla del circuito base-emisor de la figura 4.4. Cuando escriba la ecuación devoltaje de Kirchhoff ~n la dirección de las manecillas del reloj, se obtendrá +Vcc - ¡¡/lB - VBE = O /Nótese!J.a polaridad de la caída de voltaje a través de RB establecida por la dirección indicada de lBCuando se resuelve la ecuación para la corriente lB da por resultado lo siguiente: + Rs lB = Vcc ~BVBE I / (4A) 11 + I Es verdad quCf1a ecuación (4.4) no es difícil de recordar si se toma en cuenta que la corriente Y«l 18 de base es la corriente a través de R8 Y de acuerdo con la ley de Ohm dicha corriente es el voltaje a través de Re dividido entre la resistencia RB El voltaje a través de Re es el voltaje Vcc aplicado en un extremo menos la caída a través de la unión base-emisor (VBE) Debido a 11 Figura 4.4 Malla base-emisor. --.1
  • 5. / que el voltaje V cc y el voltaje base-emisor son constantes RB fija el nivel de la corriente de base } para el punto de operación. Malla colector-emisor ~~ La sección colector-emisor de la red aparece en la figura 4.5 con la dirección de la corriente le indicada y la polaridad resultante a través de Re La magnjtud de la corriente del colector está directamente relacionada a lB mediante (4.5) ~)~ r" Es interesante observar que debido a que la corriente de base está controlada por el nivel de RB y que le está relacionada a lB por la constante {J. la magnitud de le no es una función de la ...F¡gura 4.5 Malla colector-emisor. resisteDcia Rc El cambio de Re hacia cualquier nivel no afectará el nivel de lB o de lc mientras se permanezca en la región activa del dispositivo. Sin embargoMmo se verá más adeJan~J nivel de Re " determinará la magnitUd de VCE el cual es un parámetro importante. La apücación de la ley de voltaje de Kirchhoff en la dirección del sentido de las manecillas del reloj alrededor de la malla cerrada indicada en la figura 45 dará por resultado lo siguiente: Va + lcRc - Vcc = O Y I VCE = Vce - lcRc I (4.6) la cual establece que el voltaje a través de la región colector-emisor de un transistor en la configuración de polarización fija es el voltaje de alimentación menos la caída a través de Rc Como un breve repaso de la notación de subíndice sencillo y doble, recuerde que (4.7) donde Va es el voltaje colector-emisor yVc.>VE Ve - VE I Ve y = son los voltajes del colector y del emisor a tierra, respectivamente. Pero en este caso. debido a que VE = O V, se tiene que (4.8) Además, ya que (4.9) y que VE = O V. entonces (4.10)Fagura 4.6 Medición de Va: y V c Tenga presente que los niveles de voltaje como V CE son determinados mediante la coloca-ción de la punta de prueba roja (positiva) del voltímetro en la tenninal del colector y ]a punta Saturación delde prueba negra (negativa), a la terminal del emisor según se muestra en la figura 4.6. Ve es el traDsistor voltaje del colector a la tierra Y se mide según la misma figura. En este caso las dos lecturas son idénticas. pero en las redes que siguen las dos pueden ser muy diferentes. Comprender la diferencia El témrino satUración se aplica aentre ambas medidas puede ser muy importante para la localización de fallas en las redes de cualquier sistema donde lostransistores. niveles han alcanzado sus máximos valores. Una esponja satUrada es aqueUa que no puede contener otra gota de líquido. Para un transistor que opera en la región de saturación la corriente es un valor máximo para el diseño en particular. El cambio en el diseño puede ocasionar que el nivel de saturación correspondiente pueda llegar a incrementarse o descender. Desde luego, el nivel más alto de saturación está definido por la corriente máxima del colector, y se proporciona en la hoja de especificaciones. Las condiciones de saturación se evitan nonnalmente porque la unión base-colector ya no se encuentra con polarización inversa y la señal de salida ampJificada se distorsionará. Un punto de operación en la región de saturación se describe en la figura 4.8a. Nótese que se trata de una región donde las curvas características se j1ntan y el voltaje coiector-e.misor se encuentra en o por debajo de V CE,.. . Además, la corriente del colector es relativamente alta en las características. Si se aproximan las curvas de la figura 4.8a a las que aparecen en la figura 4.8b, el método directo para determinar el nivel de saturación se toma aparente. En la figura 4.gb la comente es más o menos alta y el voltaje V CE se asume de O volts. Al aplicar la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia entre las terminales del colector y las del emisor de la siguiente manera:
  • 6. o (a) (b) r¡gma 4.8 Regi6n de saturaCi6n a) real b) aproximada. La aplicación de los resultados al esquema de la red resultaría en la configuración de la fi~ra49. . Por tanto, y para el futuro, si existiera una necesidad inmediata de conocer la corriente máxima del colector (nivel de saturación) para un diseño en panicular, sólo se inserta un equivalente de corto circuito entre el colector y el emisor del transistor y se calcula la corriente resultante del colector. En resumen, sólo haga V CE = O V. Para la configuración de polarización fija de la figura 4.10 el coI1o circuito ~ aplicó, causando que el voltllje a través de Re se convierta en el voltaje aplicado V cc La comente de satUración resultante para la configuración deAgura 4.9 Determinación de le.... ix>iarizaci6n fija es Vcc (4.11) lc... =¡¡; + VR< =vcc + VCE=O V Figura 4.10 Determinación de e", para la configuración de polarización lija. Una vez que lc se conoce puede tenerse idea de la corriente máxima posible del colector para el ~ diseño escogido, y el nivel bajo el cual debe pennanecer si se espera una amplificación lineal.
  • 7. / Análisis de recta de carga El análisis basta el momento se hizo utilizando el nivel de fJ correspondiente con eJ punto Q resultante. Ahora, se investigará la fonna en que los parámetros de la red definen el rango posible de puntos Q y la manera en que se detemúna el pUnto Q real. La red de la figura 4.11a establece una ecuación de salida que relaciona las variables lc y VCE de la siguiente manera: I VCE =Vcc - IcRc I (4.12) Las características de salida del transistor también relacionan las dos variables le y V CE como se muestra en la figura 4.11 b. En esencia, se tiene una ecuación de redes y un conjunto de características que utilizan las mismas variables. La solución común de las dos sucede donde se satisfacen las restricciones establecidas por cada una de manera simultánea. Esto es similar a encontrar ]a solución para dos ecuaciones simultáneas: una establecida por la red y la otra por las características de1 dispositivo. Las caracteIÍsticas del dispositivo de le en función de VCE se ofrecen en la figura 4.1 lb. Ahora, se debe superponer la línea recta definida por la ecuación (4.12) sobre las características. El método más directo para graficar la ecuación (4.12) sobre las características de salida es mediante el hecho de que una línea recta se encuentra definida por dos puntos. Si se elige que e sea O mA, entonces se especifica el eje horizontal como la línea sobre la cual está localizado un punto. Al sustituir le = O mA en la ecuación (4.12), se encuentra que y (4.13) definiendo un puDto para la línea recta de acuerdo con la figura 4.12. 7 SOpA 4 40 ¡lA 30pA -----: + : I 20 J1A + s 01 -L 15 (a) 10 (b) F¡gma ~.11 Análisis de Ja recta de carga a) Ja red b) las característIcas el dispositiVO.
  • 8. Vcc Re o Figura 4.12 Recta de carga para polarización fija. Ahora, si se elige que V CE sea O V,lo que establece al eje vertical como la línea sobre la cual estará definido el segundo punto, se tiene que le está determinado por la siguiente ecuación: o = Vec - IcRc e (4.14) según aparece en la figura 4.12. Al unir los dos puntos definidos por las ecuaciones (4.13) y (4.14), se puede dibujar la línea recta establecida por la ecuación (4.12).A la línea resultante sobre la gráfica de la figura 4.12 se le llama recta de carga debido a que es definida por el resistar de carga Rc Mediante la solución para el nivel resultante de lB puede establecerse e] punto Q real que se muestra en la figura 4.12. Si el nivel de lB cambia al variar el valor de R B ,el punto Q se desplaza hacia aniba o hacia abajo sobre la recta de carga como se indica en la figura 4.13. Si Vcc se conserva fijo y se e&nbia Re la recta de carga se moverá de acuerdo con la figura 4.14. Si lB se mantiene fijo, el punto Q se desplaza como se indica en la misma figura. Si Re se mantiene fijo y Vcc varía, la recta de carga se mueve igual que en la figura 4.15. Ve e R, Vec Re Vce Rz Vee R3 s, punto Q 1 B, Figura 4.14 Efecto de los niveles crecientes de Re sobre la rectafigun 4.13 Movimiento del punto Q con niveles crecientes de Is. de carga yel punto Q.
  • 9. cc. ~ ReFigura 4.15 Efecto de valores pequeños de Vec sobre la recta de carga yel punto Q. o
  • 10. /4.4 CIRCUITO DE POLARIZACIÓN FSTABIUZADO EN EMISOR La red de polarización de de de la figura 4.17 contiene un resistor en el emisor para mejorar el nivel de estabilidad respecto al de la configuración de polarización fija. La mejor estabilidad se demosUará a través de un ejemplo numérico que veremos posteriormente en esta sección. El análisis se llevará a cabo cuando examinemos en primer lugar la malla base-emisor, y posteriormente utilizando los resultados para investigar la malla colector-emisor. - ..:"-:. -:~ ".. - o. . ,. - t v,~ FIgura 4.11 Circuito de polarización para BIT con resislor de emisor. ~alla emisor-base La malla emisor-base de la red de la figura 4.17 puede dibujarse de nuevo igual como se indica en la figu~ 4.18. La ley de voltaje de Kirchhoff alrededor de la malla indicada en el sentido de las manecillas del reloj dará por resultado ]a siguiente ecuación: (4.15) Recuerde del capítulo 3 que lE = (/3 + I)IB (4.16) Sustituyendo por lE en la ecuación (4.15) resultará Vcc - I¡fiB - VBE - (13 + l)I~E == O La a.,orupación de los términos ofrecerá lo siguiente: -IB(RB + (/3 + I)RE) + Vcc - VBE = O Multiplicando por (-1) se tiene lB(RB + (13 + l)RE) - Vcc + VBE =O + con IB(RB + (/3 + I)RE) = Vcc - VBE R y resolviendo para lB da a l (4.17) / a - 8 - Nótese que la única diferencia entre esta ecuación para lB Y la que se obtuvo para la configuración .. o- de polarización fija es el ténnino (/3 + l)R E" - Existe un resultado interesante que puede derivarse a partir de la ecuación (4.17), si lafiguraVcc Malla base-emisor. 4.18 ecuación se utiliza para dibujar una red en serie que pudiera resultar en la misma ecuación, que + ()
  • 11. Estabilidad de lapolarización mejorada B JLa adición de! resistor del emisor a la polarizaci6n en de del BIT Jofrece una mejor estabilidad; esto es, los voltajes y corrientes de R, = (fJ +polarización de de permanecen más cerca de donde los fijó ei l)Rt -..circuito cuando cambian las Figura 4.19 Red derivada de lacondiciones externas, como la ecua<:ión (4.11).temperatura y la beta del transistor. Mientras que un análisises el caso de la red de la figura 4.19. La solución para la corriente lB dará por resultado la misma figura 4.20 Nivel reflejado deecuación obtenida. Obsérvese que además del voltaje de la base al emisor V BE el resistor RE se impedancia de RErefleja de regreso al circuito de entrada de la base por un factor (P + ]). En otras palabras, elresistor del emisor, que forma parte de la malla colector-emisor, "aparece como" ({3 + l)REen lamalla de la base al emisor. Debido a que {3es normalmente 50 o más, el resistor del emisoraparenta ser mucho mayor en el circuito de la base. Por tanto, para la configuración de la figura420,matemático se ofrece en ]a sección 4.12, puede obtenerse una(4.18) La ecuación 4.18 puede ser de utilidad en el análisis que seguirá a continuación. Ofrece unaforma relativame:nte sencilla para recordar la ecuación (4.17). Utilizando la ley de Obro, se sabeque la comente a través de un sistema es el voltaje dividido entre la resistencia del circuito. Para elcircuito de la base al emisor, el voltaje neto es V cc - V BE Los niveles de resistencia SOtI RB más REreflejado por (j3 + 1). El resultado es la ecuación (4.17).comparación de la mejoría como lo demuestra el ejemplo 4.5.Malla coJector-emisorLa malla colector-emisor está dibujada de nuevo en la figura 421. La ley de voltaje de Kirchboffpara la malla indicada en la dirección de las manecíllas del reloj dará por resultadoSustituyendo IE= le y agrupando términos da + Ve!:: - Va + le(Re + RE) = O , +Jy (4.19) VCr.. = Va - l¿"Rc + Re) I E El voltaje de un único subíndice VE es el voltaje del emisor a la tierra y se detennina por f1gura 4.21 Malla colector- (4.20) emisor.mientras que el voltaje del colector a la tierra puede determinarse VCE = Ve - VE Iy ( I Ve = VCE + Ve 4 2 1 ) I Io ( = -El voltaje en la base respecto a úerra puede determinarse a partir de ! VB Vc Vcc /cRc 4 2 (4.23) = Vec - lsRB L Vs = VSE + I 2o ) (4.24) VE I
  • 12. Nivel de saturaciónEl nivel de satUración del colector o la comente máxima del colector para un diseño depolarización en emisor puede determinarse si se utiliza el mismo método aplicado para laconfiguración de polarización fija: se aplica un corto circuito entre las terminales del colector-emisor como se muestra en ]a figura 4.23, Y luego se cakuJa la comente del colector ~uJtante.Para la figura 4.23: (425) Fagun 4.23 Determinación de fe...La adición del resistor de emisor reduce el nivel de saturación del colector, abajo del que se obtuvo para el circuito de polarización concon una configuración de polarización fija utilizando el mismo resistor del colector. estabilidad en ~mi$Of.
  • 13. Análisis por recta de cargaEl análisis por recta de carga para la red de polarización en emisor es poco diferente de la que seencontró para la configuración de polarización fija. El nivel de lB como lo determinó la ecuación(4.17) define el nivel de lB sobre las características de la figura 4.24 (denotado IBQ). R, ) v, o Vcc CI Rc+R¡; R : oFIgara ..25 Configuración de Fq¡ua 4.26 Defjrúción del punto Q parapolarización por divisor de ~tale. Figwa 4.24 Recta de carga para la la configuración de polarizllCión por o configuración de polarización en diVisor de voltaje. emisor. La ecuación de la malla colector-emisor que define la recta de carga es la siguiente:circuito que fuera menos dependiente o, de hecho, independiente de la beta delU selección de le = O roA da I VCE =Vecllc=O 1M I (4.26)según se obtiene para la configuración de polarización fija. La elección de VCE = O V da - l c Vce (4.27)transistor. La red a la que nos referimos Re + R¡: VCE=OV es configuración de Ipolarizadón por divisor de voltaje de la figura 4.25. Si se analiza sobre como se muestra en la figura 4.24. Los diferentes niveles de lB desplazarán, desde luego, elpunto Q hacia aniba o hacia abajo de la recta de carga. Q una base 4.5 POLARIZACIÓN POR DMSOR DE VOLTAJE exacta la En las configuraciones de polarización previas a la corriente de polarización le y el voltaje V CE de polarización eran una función de la ganancia en corriente ({J) del transisto~. Sin embar go, &bido a que J3es sensible a la temperatura, especialmente para los transistores de silicio, y de que el valor real de beta por lo general, no está bien definido, lo mejor sería desarrollar unsensibilidad a los cambios en beta. resulta ser muy pequeña. Si los parámetros del circuito seeligen adecuadamente, los niveles resultantes de ICQ y de VCEQ pueden ser casi totalmel1teindependientes de beta. Recuerde que en análisis anteriores el punto Q estaba definido por unnivel fijo de ICt) y de V Cf: ,como se muestra en lafigura 4.26. El nivel de lB cambiará con el cambio en beta, pero el ~urfto de operación definidosobre las características Por lco y VCEc.> puede permanecer fijo si se Utilizan los panímetrosadecuados del circuito. Como antes se observó, existen dos métodos que pueden aplicarse para analizar la confi-guración de] divjsor de voltaje. El motivo principal pata elegir los nombres en esta configuraciónserá más obvio en el análisis que sigue. El primero que vamos a demostrar es el método exacto quepuede aplicarse en cualquier configuración de divisor de voltaje. Al segundo se le llama métodoapro:ximodo y puede introducirse sólo si son satisfechas las condiciones específicas. El métodoaproximado pennite un análisis más directo con un mayor ahorro en tiempo y en energía. Tambiénes más útil en el modo de diseño que será descrito en una sección posterior. En conjunto, elmétodo aproximado puede aplicarse a la mayoría de las situaciones y, por tanto, debe serexaminado con el mismo interés que el método exacto.Análisis exacto
  • 14. El lado de entrada de la red de la figura 4.25 puede volver a dibujarse según se muestra en lafigura 427 para el análisis en de. La red equivalente Thévenin a la izquierda de la terminal de labase puede encontratse de la siguiente manera: B F1gura 4.27 Redlbujo de la malla de entrada de la red de la Thévenin figura 4.25.
  • 15. _.~ T r :" .... R~ R", RTh: La fuente de voltaje se reemplaza por un corto circuito equivalente como se indica en la figura 4.28. (4.28) Figura 4.28 Determinación de RTh ETb: La fuente de voltaje V cc regresa al circuito y el voltaje de circuito abierto Thévenin de la figura 4.29 se calcula de la siguiente manera: La aplicación de la regla del divisor de voltaje: (4.29) R + + , Después se vuelve a dibujar la red Thévenin como se muestra en la figura 430 e ¡ Bo puede calcularse al aplicar primero la ley de voltaje de Kirchhoff en la dirección de las manecillas del reloj para la malla que se indica: ... rIgUra 4.29 Determinación de E",. Sustituyendo lE = (j3 + l)IB y resolviendo para lB (4.30) Aunque la ecuación (4.30) aparece al principio diferente de las que se desarrollaron antes, obsérvese que el numerador es, una vez más, una diferencia de dos niveles de voltaje y que el denominador es la resistencia de la base más el resistor de emisor reflejado por (j3 + 1), cierta- mente muy similar a la ecuación (4.17). Una vez que lB se conoce, las cantidades restantes de la red pueden establecerse de la misma manera como fueron desanolladas para la configuración de polarización en emisor. Esto es, (431) figura 4.30 Inserción del circuíto que es exactamente la misma que la ecuación (4.19). Las ecuaciones restantes para V E Ve y VB equivalente de Thévenin. son las mismas que se obtuvieron para la configuración de polarización en emisor.
  • 16. .¡ Análisis aproximado La sección de entrada de Ja configuración del divisor de voJtaje se representa por la red de la figura 4.32. La resistencia R¡ es la resistencia equivalente entre la base y tierra para el transistor con un resistor de emisor RE Recuerde que. como se vio en la sección 4.4 [ecuación (4.18)] .la resisrencia reflejada entre la base y el emisor está definida por R¡ = (fJ + I)RE" Si R¡ es mucho mayor que la resistencia Rz. la corriente /B será mucho menor que 12 Oa corriente siempre busca la trayectoria de menor resistencia), e /2 será aproximadamente igual a l., Si se acepta la aproximación de que lB es esencialmente cero comparada con 110 /2 entonces 11 = /2 Y R. Y R2 pueden considerarse elementos en serie. El voltaje a través de R2. que en realidad es el voltaje R , + 2. + t v" ¡ R. d.=9" »R, Figura 4.32 Circuito de polarización parcial para calcular el voltaje de base aproximado Vs.
  • 17. base, puede calcularse mediante el uso de la regla del divisor de voltaje (de ahí el nombre para laconfiguración). Esto es, (4.32) Debido a que R¡ = (/J + I)R é= {JR E la condición que definirá, en caso que pueda aplicarse: ala aproximación, será la siguiente: (4.33)En otras palabras, si beta a veces es el valor de RE es por lo menos 10 veces el valor de Rz. laaproximación podrá aplicarse con un alto grado de precisión. Una vez determinado V 8 el nivel de V E puede calcularse a partir de I VE = Ve - VBE (4.34)y la corriente del emisor podrá calcularse a partir de ~~ I ICQ;: lE (435) Ie (4.36) . El voltaje del colector-emisor se encuentra detenninado por (4.37) Nótese en la secuencia de cálculos desde la ecuación (4.33) a la ecuación (437) que beta no aparece y que lB no fue calculada. El punto Q (según se determinó mediante(lle y V CE " el por tanto d ) es In epen lente d v or de beta.. del al .
  • 18. ,. Saturación del transistor El circuito de salida del colector-emisor para la configuración del divisor de voltaje tiene la misma apariencia que el circuito de polarización en emisor. que fue analizado en la sección 4.4. La ecuación resultante para la comente de saturación (cuando Va se bace cero volts) es, por tanto. la misma que se obtuvo para la configuración de polarización en emisor. Esto es. 4.6 POLARIZACIÓN (4.38) DE DC POR RETROAUMENTACIÓN DE VOLTAJE Análisis por recta de carga Las si.mjlitudes con el circuito de salida de la configuración de polarización en emisor dan como resultado las mismas intersecciones para la recta de carga de la configuración del divisor de voltaje. Por tanto, la recta de carga tendrá la misma apariencia que la de la figura 4.24, con Un nivel mejorado de estabilidad también se obtiene mediante la introducción de una trayectoria de retroalimentación desde el colector a la(4.39) base, como se muestra en la figura 434. Aunque el punto Q no es totalmente y VCE == VCCllc=O mA (4.40) El nivel de / B desde luego se determina mediante una ecuación diferente para las configuracio nes de polarización por divisor de voltaje y de polarización en emisor. independiente de beta (aun bajo condiciones aproximadas), la sensibjhda(l a los cambios en beta o a las variaciones en temperatura son nonnalmente menores que las encontradas en la configuración de polarización fija o de polarización en emisor. De nuevo, el análisis se hará examinando en primer lugar la malla emisor-base y aplicando los resultados a la malla colector-emisor. Malla base-emisor La figura 435 muestra la mana base-emisor para la configuración de retroalimentación de voltaje. La aplicación de la ley de voltaje de Kirchhoff alrededor de la malla en el sentido de las manecjllas del reloj dará por resultado - - Vcc [éRe [sRa - VBE IIfiE = O - + ( ". o } ... F¡gura 4.35 Malla bas~misor para la red Circuito de polarización de de con retroalimentación de voltaje. de la figura 4.34. Es importante observar que la corriente a través deReno es le sino l~(dondel~= le + lB) Sin embargo, el nivel de le e l~ supera por mucho el nivel normal de lB Y la aproximación re == le por lo general se utiliza. Sustituyendo l~ == le = PIs e lE: le resultará Vec - f3laRc - laRa - VOE - f3IeRB = O Si se arreglan los términos, se tiene Vcc - VBE - /31g(Rc + RE) - leRg = O Y resolviendo para lB dará
  • 19. (4.41) El resultado es muy interesante en cuanto a que el fonnato es muy similar a las ecuacionespara lB obtenidas para configwaciones anteriores. El numerador es de nuevo la diferencia entre losnive]es disponibles de voltaje, mientras que el denominador es la resistencia de la base más losresistores del colector y del emisor reflejados por beta. Por tanto, la trayectoria deretroalimentación da por resultado un reflejo de la resistencia Re de regreso al circuitO de entrada,muy similar al reflejo de RE, En general, la ecuación para lB ha tenido el siguiente formato: V I 9 - RB + {3R
  • 20. con]a ausencia deR para]a configuración d~ polarización fija.R = RE para la configuración depolarización en emisor (con (/3 +1) == {J). y R :;:; Re + RE para la configuración de retroali-mentación del colector. El voltaje V es la djferencia entre los dos niveles de voltaje. Ya que le = /31 D {W 1 - cQ - RB + {jR En general. mientras más grande sea {3R comparado con RB, menor será la. sensibilidad de lea las variaciones en beta. Obviamente, si f3R v RB y RB + PR == f3R, entoncesQ !3V == (jV - V PR Re le es independiente al valor de beta. Debido a que R nonnalmente es mayor para la configUT~jón de retroalimentación de voltaje que para la configuración de polarización en emisor.la sensibilidad a las variaciones en beta será menor. Desde luego, R es cero ohms para laconfiguración de polarización fija y por tanto bastante sensible a las variaciones en beta.Malla colector-emisorLa malla colector-emisor para la red de la figura 4.34 se presenta en la figura 436. La aplicaciónde la ley de voltaje de Kircbhoff para la malla indicada en la dirección de las manecillas del relojdará por resultado I~E + Va + JéRc - Vcc = O Debido a quel~ == le y que lE == lc, se tiene + R( Ic<Rc + RE) + Va - Vcc = O I VCE = Vcc - Iy (4.42) IJRc + RE)la cua] es exactamente la obtenida para las configuraciones de polarización en emisor y de FIgura 4.36 Malla colector~ml~orpolarización por divisor de voltaje. para la red de la figura 4.34.
  • 21. J Condiciones de saturación Utilice La aproximación de I~:= le que es una ecuación para la corriente de sarora.ci6n. y resuLta ser la misma que se obtuvo para las configuraciones del divisor de voltaje y de polarización en emisor. Esto es (4.43) Análisis por recta de carga Proseguimos con la aproximación lé = le y da por resultado la misma recta de carga definida para las configuraciones del divisor de voltaje y de polarización en emisor. El nivel de lB será definido por la. configuración de polarización elegida. el 4.7 DIVERSAS CONFIGURACIONES DE POLARIZACIÓN Existen ciertas configuraciones de polarización para BIT que no se asemejan al molde básico de las analizadas en las secciones previas. De hecho. existen variaciones en el diseño que hubieran requerido más páginas de las que son posibles de ofrecer en un libro de este tipo. Sin embargo, el principal propósito en esta edición es el de hacer énfasis en las características del dispositivo que permiten un análisis en de de la configuración, para establecer un procedimiento general hacia la solución deseada. Para cada configuración que.: hasta. ahora se ha analizado, el primer paso es la derivación de una expresión para la comente de la base. Una vez que se conoce la corriente de la base. la corriente del colector y los niveles de voltaje del
  • 22. circuito de salida pueden elegirse prácticamente en fonna directa. Pero esto no implica que todaslas soluciones tomarán la misma trayectoria. pero sí sugiere una ruta a seguir si se encuenrra unanueva configuración. El primer ejemplo explica cómo el resistor de emisor se elimina de la configuración deretroalimentación de voltaje de la figura 434. El análisis es muy similar. pero requiere de laeliminación de RE de la ecuación aplicada.
  • 23. ~.8 OPERACIONFS DE DISEÑO Hasta ahora los análisis se enfocan al estudio de la~ redes existentes. Todos los elementos están en su lugar, y sólo es cuestión de resolver para determinar los niveles de corriente y de voltaje de la configuración. El proceso de diseño es donde se especifican la corriente y/o el voltaje, y deben determinarse los elementos requeridos para fijar los niveles del diseño. Este proceso de síntesis requiere de una muy clara comprensión de las características del dispositivo, las ecuaciones básicas para la red y un gran conocimiento de las leyes básicas del análisis de círcllÍtos, como la ley de Ohro, la ley de voltaje de Kírchhoff. y así sucesivamente. En ]a mayoría de las situaciones se reta al proceso de pensamiento en un grado alto durante el proceso de diseño, mucho más que durante la secuencia de análisis. La trayectoria hacia]a solución está menos definida, y puede requerir de cierta cantidad de suposiciones básicas que no se tienen que hacer cuando simplemente se analiza una red.
  • 24. Es obvio que la secuencia de diseño es sensible a los componentes que ya se han especificadoy a los elementOs que deben determinarse. Si se han especificado tanto d transistor como lasfuentes, el proceso de diseño simplemente detemrinará los resistores que se requieren para undiseño en particular. Una vez que se han decidido los valores teóricos de los resistOres.nonnalmente se escogen los valores estándares comerciales más cercanos. y se aceptan cualesquierade las variaciones debidas a la no utilización de los resistores de los valores exactOS. Es cierto quese trata de una aproximación válida, considerando las tolerancias que con frecuencia se asocian alos e1ernentos resistivos y a los parámetrOs óe los transistores. Si se deben determinar valores resistivos, una de las ecuaciones más poderosas es simplemente la ley de Ohm, de la siguiente manera:/ Diseño de un circuito de 8J Rw¡k IR = REn un diseño particular, el voltaje a través de un resistor a menudo puede detenninarse a partir de (4.44)los n.iveles que se especificaron. Si existen especificaciones adicionales que definan el nivel decorriente, la ecuación (4.44) puede utilizarse para calcular la resistencia requerida. Los primerosejemplos demostrarán la forma en que los elementos particulares pueden determin-m.e ~ paniIde CIt. niveles e1>pccifi~. Má.!. adelante <¡,e presentari. un ~ento completo de diseño para dosconfiguraciones comunes.polarización con retroalimentación en el resistor de emisor Considere primero el diseño de los componentes de polarización de dc de un circuito ampificador. que posee la estabilización mediante e resistor de emisor, igual que en la figura 4.50. El voltaje de la fuente y el punto de operación se seleccionaron a partir de la información que ofreció el fabricante sobre el transistor utilizado en el amplificador, c! + , {--- &alida IOpF deac 2N440 ¡ <13" ISO) F¡gara 4.50 Circuito de polari~aclón con estabilización en emisor para consideración de diseño. La selección de los resistOres de colector y emisor no pueden proceder directamente de la infonnación recién especificada. La ecuación que relaciona los voltajes alrededor de la malla colector-emisor tiene dos incógnitas, los resistores Re y RE En este momento se debe hacer un juicio de ingeniería, como comparar el nivel del voltaje del emisor con el voltaje de la fuente. Recuerde la necesidad de incluir un resistor del emisor a tierra para ofrecer un medio de estabilización de la polarización de de, de tal forma que el cambio de la corriente del colector debido a corrientes de fuga de] transistor y la beta de] transistor no ocasionen un gran cambio en el punto de operación. Por lógica, el resistor de emisor no puede ser dema.Siado grande. porque su voltaje limita el rango de la excursión de voltaje colector-emisor (que debe obser. varse cuando la respuesta en ac se analice). Los ejemplos examinados en este capítulo revelan
  • 25. que el voltaje del emisor hacia tierra es por lo general de un cuano a un décimo del voltaje de lafuente. Elegir un caso conservador de un décimo permitirá calcular el resistor de emisor RE. y elresÍstOr Re de una manera parecida a los ejemplos recién completados. En el siguiente ejemplo sedesarrolla un diseño completo de la red de la figura 4.49 utilizando el criterio que presentamosantes para el voltaje de emisor.
  • 26. Diseño de un circuito de ganancia de corriente establlizada(mdepeodiente de beta)El circuito de la figura 4.51 ofrece estabilización tanto para los cambios por la COIriente d~ fugacomo por la ganancia de corriente (beta). Los cuatro valores de los resistores que momamos debenobtenerse para el punto de operación especificado. El criterio de ingeniería para la selección de unvalor del voltaje del emisor V E se utiliza de la misma forma que las consideraciones previas dediseño. porque guían hacia una solución directa para todos los valores de los resistores. Estos pasosdel diseño se muestran en el siguiente ejemplo. Vcc...2D V CI enlrada -~ lLde ac r IOp F R ~ F¡gura 4.51 Circuito con ganancia en corriente estabiliuda para consideraciones de disello.
  • 27. 4.9 REDES DE CONMUTACIÓN DE TRANSISTORESAplicar los transistores no se limita únicamente a la amplificación de señales. A través de undiseño adecuado pueden utilizarse como un intenuptor para computadora y para aplicaciones decontrol. La red de la figura 4.52a puede emplearse como un inversor en los circuitos lógicos de lascomputadoras. Obsérvese que el voltaje de salida Ve es opuesto al que se aplicó sobre la base o a latenninal de entrada. También obsérvese la ausencia de una fuente de dc conectada al circuito de labase. La única fuente de dc está conectada al colector o lado de la salida, y para las aplicaciones decomputadoras nonnalmente es igual a la magnitud del nivel "alto" de la señal aplicada. en este caso5 V.
  • 28. 5V 5V 68kO OV ., OV (a) Ic(mA) 60 !lA 7 1 = 6.1 50 I1A mA-.. e", 6 40¡.1A 30 llA 201lA 3 :2 IOIlA t JB ¡¡A =0 V 2 3 4 5 C o E --h Va..=O lao=OmA Vcc" 5 V V ( b)Figura 4.52 Transistor Inversor. El diseño ideal para el proceso de inversión requiere que el punto de operación conmute decone a la saturación, pero a lo largo de la recta de carga descrita en la figura 4.52b. Para estospropósjtos se asumirá que le == ¡CEO = O mA cuando lB == O ¡.LA (una excelente aproximación de acuerdocon las mejoras de las técnicas de fabricación), como se muestra en la figura 4.52b. Además, se =asumirá que Vet: = V CE... O V en lugar del nivel típico de 0.1 a 0.3 V. Cuando Vi = 5 V, el tIansistor se encontrará "encendido" y el diseño debe asegurar que la redestá saturada totalmente por un nivel de lB mayor asociado con la curva J s que aparece cerca delnivel de saturación. La figura 4.52b requiere que lB> 50 p.A. El nivel de saturación para lacorriente del colector y para el circuito de la figura 4.523. está definido por Vec 1 = (4.45) c.., Re
  • 29. Los resultados del nivel de lB en la región activa justo antes de la saturnción pueden aproxi-marse mediame la siguiente ecuación: Por lo mismo, para el nivel de saturación se debe asegurar que la siguiente condición sesatisfaga: (4.46) Para ]a red de ]a figura 4.52b cuando V, = 5 V, el nivel resultante de J B es el siguiente: V ¡ - 5 V - 0.7 V 0 . 7 V = 6 3 lB = = ¡ . L A Rs 68 kQ V 5V e e l e e = =. 6.1 roA - = "" Re 0.82 kQComprobando la ecuación (4.46) da 6.1 roA = 48.8 JlA 125la cual es satisfecha. Es cierto que cualquier nivel de lB mayor que 60 ¡.LA pasará a través delpunto Q sobre la recta de carga, que se encuentra muy cerca del eje vertical. Para Vi;;:: O V,l B;;:: O ¡.¡A, Y dado que se está suponiendo que le = 1 CEO = O mA, el voltaje cae através de Re como 10 determinó V Re = lcRc = O V, dando por resultado Ve = +5 V para larespuesta indicada en la figura 4.52a. Además de su contribución en los circuitos lógicos de las computadoras, el transistor se puedeutilizar como un interruptor, si se emplean los extremos de la recta de carga. En la saturación lacorriente le es muy alta y el voltaje Va muy bajo. El resultado es un nivel de resistencia entre lasdos tenninales determinado por
  • 30. R - Vc sat-~ ley descrito en la figura 453. " " Figura 4.53 Condiciones de 1Htur&:ión y la resistencia resultante de la tenninal. Si se utiliza un típico valor promedio de V CE... como 0.15 V da como resultado V 0.15 V R= ~ = = 24.60. Sal 1 6.1 roA cu.el cual es un valor relativamente bajo y s O Q cuando se coloca en serie con resistores en el rangode los kilohms.
  • 31. I FigUra 4.54 CondiCiones de corte y la resistencia resultante de la terminal. Para Vi = O V como lo vemos en la figura 454, la condición de corte ocasionará. un nivel deresistencia de la siguiente magnitud: R - VCC corte - - = 5 V OmA ICEO resultando en la equivalencia de circuito abierto. Para un valor típico de lCEO = 10p.A., la magnitud de la resistencia de corte es R - Vcc corte.-- 5V 10JlA = 500 k!) ICEOque se aproxima a la equivalencia de circuito abierto para muchas situaciones.
  • 32. Existen transistores que se les denomina transistores de conmutación debido a la velocidadcon que cambian de un nivel de voltaje a otro. En la figura 323c los periodos de tiempo definidoscomo s.d Tr y ,¡se proporcionan en función de]a corriente de colector. Su impacto sobre lavelocidad de respuesta de la salida del colector se define por la respuesta de la corriente de colectorde la figura 4.56. El tiempo total necesario para que el transistor cambie del estado "apagado" al"encenóido" está designado como encendido y defmido por ¡encendido = tr + t d I (4.47)siendo t d el tiempo de retardo entre el estado de cambio de la entrada y el comienzo de unarespuesta en la salida. El elemento de tiempo tr es el tiempo de subida del 10 al 90% del valorfinal.Tronsi~lor "encendido" Tran~iStOr -apagado" 100% ~ - I 90<;< - - - - - - - - - -.- - II I I I I I 1 I 1 I .1 1 I I I 1 --I lit I I .I 1 L rI ,- I -, IFIgura 4.56 Definici6n de los intervalos de t,,- I tiempo de una fonna de onda de pulso. - í total - - - - - - un-.- - - .,- 1cambiar del estado "encendido" al "apagado" se I El tiempo 10%le conoce como t t - - que requiere - transistor para se define así do Y ap:lga I O 1 I I I(apagadO = t. + l 1~ I --111 I 1 (4.48) - t.donde f,- es el tiempo de almacenamiento y t{ es el tiempo de bajada del 90 al 10% del valor 1- 1inicial. I 1- I -, "
  • 33. -( dañado y tiene las car~cterístjcas de un circuito abierto entre las terminales del colector y del emisor. o bien una conexión en la maUa del circuito delPara el transistor de propósito general de la figura 323c a le == 10 mA, se encuentra que colector-emisor o base-emisor está abierta como en ]a figura 4.59. haciendo le O mA y VRc = O Vo En la figura 4.59 la punta de pruebat, == J20 ns Id negra del vólmetro está conecmda a la tierra común de la fuente y la roja a la Vec= 20 + 25 ns VRc =0 V terminal inferior del resistor. La ausencia de una corriente del == colector y de la caída de voltaje resultante a través de Re darán portr == 13 os r resultado una lectura de 20 V. Si ely medidor está conectado a la V terminal del colector del BIT. la lectura será de O == 12 ns V. porque V cc está bloqueado delasí que dispositivo activo(encendido == Ir + ti == 13 ns + 25 ns = 38 ns tu¡r~?1o por un circuito abierto. Uno de losy errores más comunes= (, + ti:;: 120 os + 12 os 132 OS en la experiencia de laboratorio es el uso del valor erróneo de la resistencia para un diseño dado.Al comparar los valores anteriores con los siguientes parámetros de un transistor de conmutaCión Imagine el impacto del uso de unBSV52L. se observa una de las razones para elegir un tr.msistorde conmutación cuando surge la resistor de 680 Q para Rs en lugar delnecesidad de éste. valor de diseño de 680 kQ. Para V cc ==20 V ) una configuración de polarización fija. la corriente t c~ndjdo == 12 os y. de base resultante sería 4.10 TÉCNICAS PARA LA LOCAUZACIÓN DE FAUAS El arte de la localización de fallas es un tema tan amplio. que no puede ser cubierto un rango tan lleno de posibilidades y de técnicas en unas cuantas secdones de un libro. Sin embargo. un practicante debe estar enterado de unas cuantas maniobras y medidas que pueden aislar el área de problema, y posiblemente encontrar una solución. Es muy obvio que el ~mer paso para poder resolver un problema ~ urm red es entender el comportamientO de la misma y tener alguna idea de los niveles de voltaje y corriente esperados. Para el transistor que está en la región activa el nivel dc mesurable más importante es el voltaje emisor-base. Para un transistor «encendido" el voltaje V BE debe estar en la vecindad de 0.7 V. Las conexiones adecuadas para medir V8E aparecen en la figura 4.57. Obsérvese que a punta de prueba roja (positiva) se encuentra conectada a la base para un transistor npn y la negra (negativa) al emisor. Cualquier lectura totalmente diferente del nivel esperado de más o menos 0.7 V. como O V. 4 Vo 12 V. o si es negativo el valor se debe sospechar de él; por lo mismo, es mejor verificar las conexiones del dispositivo o la red. Pala un transistor pnp pueden usarse las mismas conexiones, pero debe esperarse una lectura negativa. ..0.7 V Si Un nivel de voltaje de igual importancia es el voltaje del colector al emisor. Recuerde las ~ ;¡O_~vGe I características generales de un BIT. con los niveles de V CE en la vecindad de 0.3 V que sugieren un dispositivo saturado, una condición que no debe existir a menos que se esté usando como interruptor. Sin embargo: Para el amplificador típico a transistor que está en la región activa, V CE está por lo [(l) . 2j general entre el 25 y el 75% de V cc. VjlC ~~ Para V cc = 20 V una lectUra de VeI:: entre 1 y 2 V o entre 18 y 20 V como se mide en la Figura 4.57 Verificación del nivel dc figura 4.58. es cieno que es un resultado fuera de lo común, y a menos que se conozca otro diseño de VSE para esta respuesta, deben investigarse tanto el diseño como la operación. Si V CE = 20 V (con Vcc = 20 V) existen por lo menoS dos posibilidades: o bien el dispositivo (BJT) está 0.3 V = saluración = O v estado de corto circuito 1,=0 roA o de conexión pobre Normalmente unos (uan!os volts o más Raun 4.58 Verificación del nivel dc de Va ~~ R, 20 V -
  • 34. 0.7 V = 28.4 mA 680 Q F"JgUIa 4.59 Efecto de unaen lugar del valor deseado de 28.4 #lA. ¡una diferencia significativa! conexión pobre o un dispositivo Una corriente base de 28.4 mA es cierto que colocaría al diseño en una región de saturación y daftado.es posible que se dañe el dispositivo. Ya que los valores reales de los resistores a menudo sondiferentes de los valores de los códigos de color nominales (recuerde que los valores de toleranciade los resistores), es una buena inversión de tiempo hacer la medición de un resistor antes deinsertarlo en la red. El resultado será tener valores reales más cercanos a los niveles teóricos y ciertaseguridad de que el valor correcto de la resistencia se utiliza. Habrá momentos en que surgirá la frustración. Se habrá. verificado el dispositivo en untrazador de curvas u otro instrUmento para probar BIT y parecerá correcto. Todos los ni veles delos resistores parecen adecuados. las conexiones se ven sólidas y se ha aplicado la fuente adecuadade voltaje. ¿qué sigue? Ahora, la persona encargada de resolver el problema debe esforzarse paralograr un mayor nivel de sofisticación. ¿Podría ser que la conexión interna entre el cable y laconexión final de una punta esté dañada? ¿Cuántas veces el simple hecho de tocar una punta creauna sifuación "correcta o incorrecm" entre las conexiones? Quizá la fuente fue encendida y ajustadaen el voltaje correcto, pero el control de limitación de corriente se dejó en cero. evitando el niveladecuado de corriente según lo demanda el diseño de la red. Obviamente. mientras más sofisticadoes el sistema. más extenso el rango de posibilidades. En cualquier caso. uno de los métodos másefectivos para verificar la operación de una red es probando varios niveles de voltaje respecto a latierra y al conectar la punta de prueba negra (negativa) de un vólmetro a tierra y "tocando" lasterminales importantes con la punta de prueba roja (positiva). En la figura 4.60. si la punta roja seconecta directamente a Vcc. se deben leer Vcc volts. porque la red tiene una tierra común para lafuente y los componentes de la red. En Vela lectura debe ser menor por la caída a través de Rc y VE debe ser menor que Ve por el voltaje colector emisor V CEO La falla en cualquiera de estos dospuntos sirve para registrar lo que podria parecer un nivel razonable y ser autosuficiente para definirla falla o el elemento defectuoso. Si V R Y VR son valores razo Vee nables pero V CE = O V, existe la posibilidad de que el BIT esté daña"do y p~sente un equiva ~.. lente de corto circuito entre las terminales del colector y del emisor. Antes dijimos que si V CEregistra un nivel de aproximadamente 0.3 V. como señala Va = Vc - VE (la diferencia ,entre los dos niveles como se midió arriba), la red puede estar saturada con un dispositivo ,que esté o no defectuoso. Parecería obvio. a partir del análisis anterior, que la sección de vólmetro de un VOM Re o DMM es muy importante en el proceso de localización de fallas. Por lo general, losniveles de corriente se calculan a partir de los niveles de vo1taje a través de los resistores.en lugar de "romper" la red para insertar la sección de miliamperímetro de un multímetro.En los diagrarnas grandes se ofrecen los niveles específicos de voltaje respecto a la tierra.para facilitar la verificación e identificación de las posibles áreas de problemas. Para lasredes cubiertas en este capítulo se deben considerar los niveles úpicos dentro del sistema.como lo definió el potencial aplicado y la operación general de la red. Figura 4.60 Verificación de tos niveles de voltaje respecto a tierra.
  • 35. El proceso de localización de fallas es una verdadera prueba para comprender claramente el comportamiento adecuado de una red y su habilidad para aislar las áreas problemáticas-utilizando unas cuantas medidas básicas con los instrumentos apropiados. La experiencia es la clave, yésta vendrá únicamente con la exposición continua a los circuitos práctícos.
  • 36. 4.11 TRANSISTORES PNP ESTABIUZACIÓN DE lA Figura 4.62 Red para el ejemplo 4.26.Hasta ahora. el análisis se ha limitado totalmente a los transistores npn para asegurar que el análisisinicial de las configuraciones básicas sean 10 más claras posible y simplificadas para. nointercambiar entre los tipos de transistores. Por fortuna. el análisis de los transistores pnp sigue elmismo patrón que se estableció para los transistores npn. Primero se calcula el nivel de / B seguidopor la aplicación de las relaciones adecuadas de los transistores para determinar la lista de lascantidades que se ignoran. La única diferencia entre las ecuaciones resultantes para una red en laque se reemplazó un transistor npn por un transistor pnp es la señal asociada con las cantidades enparticular. Como se observa en la figura 4.63. la notación de doble subíndice continúa de manerc1normal. como ya se mencionó. Sin embargo. las direcciones de las corrientes se invirtieron parareflejar las direcciones reales de coriducción. En caso de que se utilicen las polaridades definidasde la figura 4.63. tanto V/lE como V CE serán cantidades negativas. La aplicación de la ley de voltaje de Kirchhoff a la malla base-emisor dará por resultado lasiguiente ecuación para la red de la figura 4.63: - n~cc4.12 + POLARIZACIÓN t lLa sustitUción de lE;:: ({3 + 1 )/6 Y solución para lB da por resultado La estabilidad de un + esistema es una medida de la sensibilidad de una red VBE (4.49)hacia las variaciones en sus parámetros. En cualquier +amplificador que utiliza un transistor, la corriente del colector VC t. La ecuación resultante es la misma que Ja ecuación (4. I 7) excepto por eJ signo para VBESinembMgo.en este caso VBE=-O.7 V y la sustitución de los valores resu]raráel mismo signo para Figura 4.63 Transistor pnp en unacada término de la ecuación (4.49) y la ecuación (4.17). Considere que]a dirección de 1 EJ ahora se configuración de estabiJización endefinió como opuesta para un transistor npn. según la figura 4.63. emisor. Para V CE la ley de voltaje de Kirchhoff se aplica a la mana colector-emisor, dando porresultado la siguiente ecuación:le es sensible a cada uno de los siguientes parámettos: f3: se incrementa con el aumento en la temperatura r VCE = -Vcc + lc(Rc + RE) (4.50) La ecuación resultante tiene el mismo formato que la ecuación (4.19). pero el signo antes decada término en el miembro de la derecha ha cambiado. Debido a que V cc será mayor que lamagnitud del término subsiguiente. el voltaje V CE tendrá un signo negativo. como se pudoobservar anteriormente. Iv BE 1: decrece aproximadamente 7.5 mV por incremento en grado Celsius ("C) en la temperatura leo (corriente de sallIración inversa): duplico su Jlolor por cada 10 De de incremento en la temperatura Cualquiera o todos estos factores pueden causar que el punto de polarización cambie delpunto de operación diseñado. La tabla 4.1 describe la forma en que leo y V BE cambiaron con elincremento en la temperatura para un transistor en particular. A temperatura ambiente (cercade 25°C) leo = 0.1 nAo mientras que a 100 °C (punto de ebullición del agua) leo es aproxima-damente 200 veces mayor a 20 nAo Para la misma variación en temperatura. {3 se incrementóde50 a 80 y VSE cayó de 0.65 a 0.48 V. Recuerde que lB es muy sensible al nivel de V8E,especialme11te para los niveles más allá del valor del umbral. TABLA 4.1 Variación de los parámetros de UD transistor de silld.o con la temperatura T (OC) leo (oA) b I7S 0.1 20 3.3 ~5 25 100 0.2 x 10-. x 10>
  • 37. 0.48 20 50 80 0.85 0.65 03]20 El efecto de los cambios en la comente de fuga (Ice) y la ganancia de coniente (/tJ sobre el punto depolarización de dc se demuestra por las características de colector para emisor<omún de las figmas 4.65a y4.65b. La figura 4.65 muestra la fOima como cambian las caractelÍSticas de colector del transistor desde unatemperarorade 25 "C a una temper:atUJade 100 ce. Obsérvese que el incremento significativo en lacorrienre de fuga no solamente causa que las curvas se eleven sino que también existe unincremento en la beta. según se observa a través del mayorespaciamiento entre las CWVa5. Se puede especificar un punto de operación mediante el dibujo de la recta de carga de dc delcircuito sobre la gráfica de las características de colector. y notando la intersección de la recta decarga y la corriente de base de dc establecida por el circuito de entrada. Se man:a un punto de formaarbitraria en ]a figura 4.65a en lB == 30 pA. Debido a que el circuito de polarizaciÓD fija proporcionauna corriente de base cuyo valor depende aproximadamente del voltaje de la fuente dealimentación y el resistor de la base. ninguno se ve afectado por la temperatura o el cambio en lacotriente de fuga o en la beta, pero existirá la misma magnitud de la corriente de base a altastemperaturas, según se indica en la gráfica de la figura 4.65b. Como lo muestra la figura. dará porresultado el cambio del punto de polarización de dc a una mayor corriente de colectOr y a unmenor voltaje colector-emisor en el punto de operación. En el extremo, el transistor no podríaIJevarse a saturación. En cuaJquier caso. el nuevo punto de operación puede no ser satisfactorio yocasionar una distorsión considerable debido al cambio del puntO de polarización. Un mejorcircuito de polarización es el que estabilizará o mantendrá la polari
  • 38. -1:, 1 e A. le (mA) I (roA) 6 50 jlA6 70 j,IA 55 4 . 30 j1A 5Oj,IA I 3 20 !lA I 2 30 ¡¡.A 10 j.IA4 20jlA32 10 J.IA IB=Oj.IA I 8= OllA i o I 5 10 f 15 20 o s lCEO; fJlCBO (a) lb) figura 4.65 Cambio en el punto de polarización de de (punto Q) debido al cambio en la temperatura: a) 25"C; b) l()()"C. dad de dc establecida inicialmente, de forma que el amplificador puede utiliUtrse en un ambiente de temperatura variable. FactoreS de estabilidad, SUcO), S(VBE> y S(/J) Se definió un factor de estabilidad S para cada uno de los parámetros que afectan la estabilidad de la polaridad. según se lista a continuación: (4.51) (4.52) (4.53) En cada caso el símbolo delta (~) significa un cambio en dicha cantidad. El numerador de cada ecuación es el cambio en la corriente del colector, según se estableció mediante el cambio de la cantidad en el denominador. Para una configuración en particular, si un cambio en leo no puede producir un cambio significativo en lc. el factor de estabilidad definido por S(lco) = Me ¡Meo será muy pequeño. En otras palabras: Las redes que son muy estables y relalivamente insenribles a las variaciones en la temperatura tienen bqjos factores de estabilidad. Parecería más apropiado en algunas ocasiones considerar las cantidades definidas por las ecuaciones (4.5 J a 4.53) como los faclores de sensibilidad porque:
  • 39. Mientras más a/J() es el factor de estabilidad, mayor sensibilidad tendrá la red a las variaciones de dicho parámetTo. El estudio de los factores de estabilidad requ1ere de: conocimiento del cálculo diferencial.Sin embargo. el propósito aquí es revisar los resultados del análisis matemático y realizar unaevaluación total de los factores de estabilidad para las configuraciones de polarización máscomunes. Gran cantidad de literatura referente a este tema está disponible. y si el tiempo lopennite se le propone leer más acerca del lema.S(l cc}: CONFlGURACIÓN DE POLARIZACiÓN EN EMISOR Un análisis de la red para la configuración de polarización en emisor dará por resultado (4.54)Para R / R F. ~ (P + 1). la ecuación {4.54} se reducirá a 1a siguiente: S(1co) = /3 + I (4.55)según se indica en ]a gráfica de 5(1 co) en fundón de Re IR E en ]a figura 4.66. SUco), Factor de estabilidad /3+1Fagura 4.66 Variación del factor de estabilidad S(fcJ 2Icon el cociente de resistor RBIREpara laconfiguración de polarización en emisor. /3+1 J SS J (par.! :: < 1) Para RB/RE <t l. la ecuación (4.54) se aproximará al sigUiente nivel (según se muestra en lafigura 4.66): S(/ea) = (/3 + 1) (/3 + 1) (4.56)revelando que el factor de estabilidad se acercará a su nive] más bajo mientras RE se vuelve losuficientemente grande. Sin embargo. considere que un buen control de la polarización nor-malmente requiere que R8 sea mayor que RE, Por tanto, el resultado es una situación donde losmejores niveles de estabilidad están asociados con un criterio pobre de diseño. Obviamente. debeexistir un compromiso que satisfaga tanto a ]a estabilidad como a las especificaciones depolarización. Es importante observar en la figura 4.66 que el valor más bajo de S(lco) es 1,revelando que le siempre se incrementará a un ritmo igualo mayor que lco. Para el rango donde R 8 ¡ R F. fluctúa. entre I y (j3 + 1), el factor de estabilidad se encontrarádetenninado por ( 4.57)
  • 40. según se muestra en la figura 4.66. Los resultados revelan que la configuración de polarización eneuüsor es muy estable cuando la relación de R B I RE es tan pequeña como sea posible; y esmenos estable cuando dicha rdación se acerca 8. ({3 + 1). .
  • 41. / CONRGURAClÓN DE POLARIZACIÓN Para la configuración de polarización fija. si se multiplican el numerador y el denomina RJA dor de la ecuación (454) por RE y se hace a RE = O Q. resultará la siguienteecuación: (4.58) I S(lco) = f3 + 1 ! ObséIVese que la ecuación resultante asemeja el valor máximo para ]a configuración de ~cpolarización en emisor. El resultado es una configuración con un factor de estabiJidad pobre y una calta sensibilidad a las variaciones de J eoConfiguración de poJarizacióD por divisor de voltajeRecuerde de la sección 4.5 el desarrollo de la red equivalente de Thévenin que aparece en la figura4.67, para la configuración de polarización por divisor de voltaje. Para la red de la figura 4.67 laecuación para S(/eo) es la siguiente: -= (4.59) Figura 4.67 Circuito equivalente para la configuración de divisor de voltaje. Nótense las similitudes con ]a ecuación (4.54), donde se determinó que S(lco) tenía su nivelmás bajo y la red tenía su mayor estabilidad cuando RE> Rs Para la ecuación (4.59), la condiciónconespondiente es RE> ~ O bien, RThIRE debe ser tan pequeño como sea posible. Para laconfiguraci6n de polarización por divisor de voltaje, Rn. puede ser mucho menor gue lacorrespondiente Rg en la configuraci6n de polarización en emisor y aun así tener un diseño efectivo.Configuración de polarización por retroalimentación (RE = O Q)En este caso, (4.60)Debido a que la ecuaci6n es similar en formato a la que se obtuvo para las configuraciones depolarización en emisor y de polarización por divisor de voltaje, también aquí pueden aplicarse lasmismas conclusiones respecto a la relación de Rs /ReImpacto físicoEl tipo de ecuadones que se desanollaron arriba, a menudo fallan en cuanto a proporcionar unsentido físico para el motivo, por el cual las redes se comportan de la fonna en que lo hacen. Ahorase sabe de los niveles relativos de estabilidad y cómo ]a elección de los parámetros puede afectar lasensibilidad de la red, pero sin estas ecuaciones quizá resulte dificil explicar con palabras por quéuna red es más estable que otra. Los párrafos siguientes intentan llenar este vac)o a ttavés del uso dea1gunas de 1» 1e1aciones bás1cas asociadas con C3da configuración. Para la configuración de polarización fija de la figura 4.68a,la ecuación para ]a corriente debase es la siguiente:con la corriente del colector detenninada por (4.61) fe = flls + ({3 + l)/co Si le como se indica en la ecuación 4.61 debe incrementarse debido a un incremento en leono existe nada en la ecuación para lB que intente compensar este incremento que no se desea en elnivel de corriente (suponiendo que VSE pennanezca constante). En otras palabras, el nivel de lecontinuaría elevándose con la temperatura con 1 s manteniendo un valor prácticamente constante;por 10 mismo, sería una sitl1aCión muy inestable. Sin embargo. para la configuración de polarización en emisor de la figura 4.68b, un au. mentoen le debido a un incremento en leo causará que el voltaje VE = / eRE:= 1 cR E se incremente. Elresultado sería una caída en el nivel de 1 s según se deteITIÚna en la siguiente ecuación:
  • 42. ...".
  • 43. La ecuación (4.64) puede escribirse de la siguiente fonna: + + VR8 (4.66) -f3/RE. S(VBE) = R8IRE+ ({3 + 1) Sustituyendo la condición (13 + 1) ~ R81Rc resultará la siguiente ecuación paTa S(VB/:.): + V E (4.67) + ;JFigura 4.68 Revisión de las redes -13/R -/3IR Irevela que mientrasfactor grande sea la resistencia RE: menor será el factor de estabilidad y másGe polarización y del más de S(Vsc) == !-(a) --.!:...............= - == 18estable el S(J~.estabilidad sistema. . Jj + 1 P(b¡ RE (e) "Ir Vec - VBE: - VE: i (d) Re (4.62) Una caída en lB tendrá el efecto de reducir el nivel de le a través de la acción del transistor. y por lo mismo compensa la tendencia de lea incrementarse por un aumento en la temperatura. En total .la configuración es tal que existe una reacción hacia un incremento en le. que tenderá a oponerse al cambio en las condiciones de polarización. La configuración de retroalimentación de la figura 4.68c opera de la misma fonna que la configuración de polarización en emisor cuando llega a los niveles de estabilidad. Si J e se incrementa debido al aumento en la temperatura. el nivel de V R se elevará en la siguiente ecuación: Vcc - Vot. - VR,. i e (4.63) Rs y el nivel de lB se reducirá. El resultado es un efecto estabilizador como el descrito para la configuración de polarización en emisor. El lector debe estar enterado de que la acción descrita arriba no sucede en una secuencia paso por paso. En su lugar. se trata de una acción simultánea para mantener las condiciones de polarización establecidas. En otras palabras. en el mismo instante en que le empiece a incrementarse.la red captará el cambio y tendrá lugar el efecto de balanceo que se describió ~tes. La más estable de las configuraciones es la red de polarización por divisor de voltaje de la figura 4.68d. Si se satisface la condición /3RE ~ JOR:!. el voltaje Vs permanecerá razonable- mente constante para los niveles cambiantes de lc El voltaje base-emisor de la configuración está detenninado por VaE = VB - VE Si lc se incrementa, VE alJmenrará como se menciona arriba,y para un V8 constante el voltaje VSE caerá. Una caída en VSF.establecerá un nivel bajo de I s que tratará a su vez de compensar el nivel de aumento de le. S{V sJ: El factor de estabilidad defInido por Me S(VBE) ;:: .1VBE resultará en la siguiente ecuación para la configuración de polarización en emisor: -/3 (4.64) Sustituyendo RE = O O, como ocurre con la configuración de polarización fija. dará por resultado (4.65)

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