Conmutación

Electrónica. Fuente de tensión. Voltios. Amplificación. Región activa. Ancho de banda

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Electrónica II
Introducción a la conmutación
Práctica 0
Índice
  1. Cálculos teóricos 4

  2. Variación fuente de tensión VBB 5

    1. Valor de β 7

    2. Punto de corte y saturación 8

    3. Evolución de IC e IB 9

  3. Variación RB 10

    1. Valor de β 11

    2. Punto de corte y saturación 12

    3. Evolución de IC e IB 13

  4. Amplificación en región activa 14

  5. Ancho de banda 17

Dado este circuito podemos analizar, ayudados de un simulador, diversos aspectos de las tres regiones de trabajo del transistor como los que se listan a continuación:

  1. Cálculos teóricos

-Suponiendo una β≈150 y una VBE≈0.65V. ¿Qué valor considerarías para polarizar el transistor en excursión simétrica máxima?

Malla salida (contínua)  RCE

5=1K·Ic+VCE

Malla salida (alterna)  RCD

Vce=ic·1K

↓ Sustituimos Vce en Rce

5=1K·Ic+ic·1K  5=2K·Ic  Ic=2,5mA

Volvemos a la malla en alterna y sustituimos Ic

Vce=2,5mA·1K

Vce=2,5v

  1. Variación fuente de tensión VBB

-Modificando únicamente el valor de la fuente VBB, simula como afecta la variación de su tensión al punto de trabajo del transistor, para ello incrementa su valor de manera lineal de 0 a 5V en incrementos de 0.1V. ¿Qué valor necesitaba realmente para polarizarse en excursión simétrica máxima?

  • Hemos simulado en modo DC Sweep para poder hacer un barrido de voltajes. De esta forma podremos encontrar el valor de la fuente que provoca que el punto de trabajo se sitúe en excursión simétrica máxima.

  • Una vez en la ventana de simulación clickamos el botón add trace para representar el voltaje de colector en función de la fuente VBB. A continuación añadimos un segundo eje para poder representar a escala la intensidad de colector.

  • El punto de trabajo (Q) en excursión simétrica máxima (ESM) será la intersección de la intensidad de colector y el voltaje de colector. Sabemos que para que haya ESM, Q ha de estar en el punto medio entre saturación y corte. Para explicar porqué diferenciamos dos casos:

Valor de VBB elevado:

Supone un incremento de IBy por consiguiente IC será alto. Esto implica que en RC caiga la mayoría de la tensión suministrada por la fuente VCCy por tanto la tensión de colector sea ínfima, el transistor entra en saturación. Si este fuese nuestro punto de trabajo nuestro transistor sería un pésimo amplificador ya que con sólo aumentar un poco la señal esta se cortaría.

Valor de VBB reducido:

Supone un bajísimo IB, lo que conlleva un pequeño IC. Esto supone que RC no se lleve apenas tensión y que prácticamente toda caiga sobre el colector. Por tanto el transistor estará peligrosamente cerca de corte. Si ese fuera nuestro punto de trabajo no podríamos amplificar gran cosa.

Visto esto podemos deducir que para encontrar el punto de trabajo óptimo hemos de conseguir que tanto RC como el colector se lleven cada uno la mitad de la tensión suministrada por VCC. Es decir, encontrar una IC que provoque que RC se lleve la mitad del voltaje. Por lo tanto el punto de trabajo que buscamos será la intersección entre IC y VCE o lo que sería lo mismo la intersección entre IC y la tensión que cae en RC.

  • Así pues Q= ( 2.2073 VBB , 2.5 VCC / 2.5 mA IC ). Estos valores fueron encontrados utilizando toggle cursor .

  • Es decir, el valor de la fuente VBB debería ser de 2.2073 V para conseguir excursión simétrica máxima en el punto de trabajo.

  1. Valor de β

-¿Cuánto vale realmente el parámetro β en este punto?

  • Una vez conocido el valor de VBB necesario para polarizar correctamente el transistor procedemos a encontrar la beta. Para ello sustituimos en el circuito la fuente VBB original de 2 V por la fuente del valor adecuado VBB=2.2073V.

  • Simulamos una vez más, esta vez en modo Time Domain, en este modo todos los valores del circuito permanecen constantes, tan solo encontramos la evolución temporal de las diferentes señales del circuito. Así conseguiremos encontrar el valor de β en nuestro circuito correctamente polarizado.

  • Conociendo que β es la relación entre IC e IB podemos hallar su representación gráfica utilizando la consola de comandos de la pestaña añadir gráfica en la ventana de simulación. Tan sólo hemos de escribir I(c) / I(b), esto dibujará la gráfica que estamos buscando. Para encontrar su valor utilizamos el cursor Max Cursor , el cual nos dará el valor del punto máximo de nuestra función, servirá aunque la función sea una constante.

  • En definitiva, la β del transistor es de 162.066.

  1. Punto de corte y saturación

-¿Hasta qué valor de VBB el transistor estaba en corte? y ¿a partir de cuál entró en saturación?

  • Utilizando la gráfica de VCE respecto VBB podemos deducir fácilmente cuando el transistor salió de la zona de corte y cuándo entró en la zona de saturación.

  • Zona de corte:

Inicialmente podemos afirmar que el transistor está en corte, esto es debido a que al haber 0V de entrada por IB únicamente circula Ico , esto significa que IC ≈ 0 , y por tanto la tensión que cae en RC es ≈ 0. Por consiguiente el colector se lleva casi la totalidad de los 5 voltios provenientes de VCC. Esto deja de ser así aproximadamente cuando VBB= 0.634.83 V, cuando VBE≈ 0.7V, que significa que el transistor entra en zona activa.

  • Zona de saturación:

El transistor está saturado cuando por RC circula la máxima IC y por tanto cuando ésta se queda prácticamente la totalidad del voltaje proveniente de VCC; VCE ≈ 0.2. Esto sucede, observando la gráfica, a un VBB= 3.607 V, donde podemos ver que el transistor deja atrás la zona activa y el colector mantiene una tensión constante de ≈ 0.203 V.

  1. Evolución de IC e IB

-¿Cómo varían los corrientes de colector y de base?

  • Escalando los ejes adecuadamente podemos apreciar la evolución de ambos corrientes, es curioso observar como IB crece indefinidamente a medida que aumenta VBB, al contrario que IC, que deja de aumentar al llegar a 3.6 V aproximadamente, es decir, cuando el transistor entra en saturación.

  1. Variación RB

-Repite el apartado anterior pero ahora alterando el valor del resistor RB desde 1K hasta 10M de manera logarítmica y cogiendo 10 muestras por década. Vuelve a considerar el valor por defecto de la fuente VBB. ¿Qué valor necesitaba RB realmente para polarizarse en excursión simétrica máxima?

  • Igual que hicimos en el apartado anterior escalamos las señales VCE e IC y las reproducimos en función de RB. La intersección de ambas nos dará el punto de trabajo que consigue una excursión simétrica máxima, así podremos polarizar adecuadamente el transistor variando únicamente RB.

  • Una RB pequeña significa una gran IB lo que se traduce en una IC mucho más grande, lo que implica una saturación inmediata del transistor. Prácticamente todo el voltaje proveniente de VCC se lo queda RC.

  • Por el contrario una RB grande significa una IB ínfima, lo que se traduce en una pequeñísima IC, lo que supone que el colector se quede todo el voltaje VCC y por tanto implica que el transistor está en corte.

  • La intersección de ambas curvas nos da el punto exacto donde RC se queda exactamente la mitad del voltaje VCC. Por tanto Q está en excursión simétrica máxima.

  • El valor de RB que cumple está condición es 86.476K Ω.

  1. Valor de β

-¿Cuánto vale realmente el parámetro β en este punto?

  • El procedimiento para encontrar β es exactamente el mismo que en el punto anterior, como es de esperar el valor de β es exactamente el mismo: 162.068.

  1. Punto de corte y saturación

-¿Hasta qué valor de RB el transistor estaba en saturación? y ¿A partir de qué valor entró en corte?

  • Utilizando la gráfica de VCE e IC respecto RB podemos deducir fácilmente cuando el transistor salió de la zona de saturación y cuándo entró en la zona de corte.

  • Zona de saturación:

Inicialmente podemos afirmar que el transistor está saturado, esto es debido a que al no haber una gran resistencia de entrada la IB es muy elevada, lo que provoca que ICsea muy alta y en consecuencia que RCse quede la mayoría del voltaje. Sale de saturación aproximadamente cuando RB = 39.5KΩ y VCE =0,4 V.

  • Zona de corte:

El transistor está cortado cuando por RCcircula la mínima ICy por tanto cuando ésta se no queda prácticamente voltaje que proviene de VCC. VCE, en cambio, se queda la gran mayoría del voltaje. Esto sucede, observando la gráfica, a un RB= 1.6723MΩ, donde podemos ver que el transistor deja atrás la zona activa y el colector mantiene una tensión constante de ≈ 4.9 V.

  1. Evolución de IC e IB

-¿Cómo varían los corrientes de colector y de base?

  • En este caso vemos como, a medida que aumenta RB, IB e IC disminuyen. Inicialmente podemos ver que IB es supremamente grande, lo que se traduce en una saturación instantánea del transistor, por lo que IC se mantiene a un valor constante hasta que IB se ve mermada a causa del aumento de resistencia. Posteriormente ambas intensidades tienden a 0.

  1. Amplificación en región activa

-Analiza el transitorio de los diferentes corrientes y tensiones, considerando que la fuente de entrada, aparte de la tensión continua que hemos considerado por defecto, tuviese en serie una señal sinusoidal de 1Vp y 1KHz de frecuencia. ¿A partir de qué amplitud de entrada el transistor sale de la región activa (lineal)?

  • Este problema se afrontó de dos maneras diferentes. La primera fue casi por completo teórica. La segunda fue un poco más empírica.

  • La primera se llevó a cabo de la siguiente manera:

Se sabe que la señal a amplificar tiene un offset de 2, debido a la fuente de continua en serie, si a eso le sumamos 1 VPpor defecto tenemos una señal muy cercana a saturación, lo expresamos de la siguiente manera:

3 * amplificación < 5, ya que 5 es el valor de VCCy la señal no puede amplificar más allá de ese valor. Si ese resultado es mayor que 5 es que la señal se corta.

Sin alterar ningún parámetro representamos la señal de salida y mediante cursores obtenemos que su máximo es de 4.46 V. Mediante este valor encontramos el coeficiente de amplificación del transistor, que será igual a:

4.46/3 = 1.486

Si queremos saber hasta qué punto podemos amplificar tan sólo hemos de despejar la incógnita de la ecuación.

X*1.486 < 5 => X = 5/1.486 = 3.36 V

Restando la continua obtenemos una alterna de 1.36 VP, eso será lo que podremos amplificar nuestra señal antes de entrar en saturación.

Viéndolo gráficamente a través del Orcad quedaría lo siguiente:

Amplificación de una señal de alterna de 1.36 VP

Amplificación de una señal de alterna de 1.50 VP. Como se puede observar, la señal se corta superiormente, es decir llega a saturación. Los cálculos son correctos.

  • La segunda forma de afrontar el problema consistió en utilizar una fuente de alterna fijada a 1 VP y realizar un barrido de voltajes mediante el DC Sweep, con esto lo que se consigue es aumentar o disminuir el offset de la señal y por tanto acercarnos poco a poco a saturación o a corte, se hizo así porque añadir offset a la señal es equivalente a añadir VP en amplitud, al menos para resolver gráficamente este problema.

Entonces, en la gráfica podemos observar como cuando el offset es negativo, la señal se corta por abajo, es decir llega a corte. Deja de cortarse cuando el offset se sitúa ≈-1.2 V.

En cambio, la señal se empieza a cortar superiormente cuando llega a los 1.56 V aproximadamente

No se cortan al mismo voltaje al llegar a saturación y corte porque el punto de trabajo no está fijado en excursión simétrica máxima. En esta segunda forma de resolución se tomaron los valores por defecto del circuito. Así, si cogiéramos el punto de excursión simétrica máxima los valores de la forma de resolución 1 y 2 coincidirían, por tanto son soluciones equivalentes.

  1. Ancho de banda

-Busca el ancho de banda de este posible amplificador alterando la frecuencia de la onda de entrada de manera logarítmica desde 10Hz hasta 10MHz cogiendo 100 muestras por década.

  • Para conseguir la gráfica, tenemos que utilizar el modo AC Sweep, esto nos permitirá hacer un barrido de la frecuencia. Otra consideración a tener en cuenta es que no se debe utilizar una fuente sinusoidal ni la resistencia variable.

  • Una vez tenemos los ejes ajustados hemos de encontrar el ancho de banda de frecuencias amplificadas por el transistor. La amplificación del transistor es la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada, la cual depende de las frecuencias a las que se trabaje. Ésta amplificación en función de la frecuencia se mide en decibelios. 20*log|módulo|.

  • Así pues para representar adecuadamente la gráfica hemos de utilizar la consola de comandos y escribir la expresión siguiente: 20*log( VOUT / VIN ).

  • Una vez la tenemos representada hemos de encontrar el ancho de banda, el ancho de banda viene delimitado por un corte superior en nuestro caso. Esto significa que nuestro transistor no sirve para amplificar altas frecuencias. Sabremos que hemos encontrado el punto de corte cuando entre el punto máximo de la función y éste, haya una diferencia de 3 decibelios. Entonces, encontramos el punto máximo de la gráfica mediante los cursores y, a continuación desplazamos los cursores hasta encontrar el punto donde hay<a una diferencia de 3 decibelios respecto el máximo.

  • El ancho de banda será en nuestro caso: frecuencias de 0 a 103k kHz.