Laboratorio #7.

Andrés Felipe Bretón DelgadoWilson Leonardo Arenales Ojeda

Andrés Felipe Socha Chacón

Resumen—Se diseñó el modelo de un circuito con un transistor BJT para el cual operara en la región activa y trabajara como amplificador de señal a través de una entrada de DC y una señal en AC con el fin de mostrar la respectiva señal de salida con respecto a la entrada, observado su amplificación mediante la simulación del circuito en el software TINA.

I. MARCO TEÓRICO

El transistor de juntura bipolar (BJT):

Características generales:El BJT es de naturaleza bipolar, pues la corriente producida es debido al aporte de los portadores negativos (electrones) y positivos (huecos). Consiste en dos junturas p-n y posee tres terminales, los cuales son llamados Emisor (E), Base (B) y Colector (C). EL BJT puede ser tipo npn o pnp, su estructura y símbolo se muestra en la figura 1, la flecha indica la dirección normal de la corriente y define la polaridad de la tensión base-emisor. No es un dispositivo simétrico, pues intercambiando el emisor por el colector se obtienen resultados distintos.

Fig. 1. Símbolos del transistor. (a) npn. (b) pnp

Funcionamiento:Sea el BJT de la figura 1ª, éste considera una región n de volumen intermedio de alto dopamiento (gran cantidad de electrones), una región p muy delgada de pequeño volumen de bajo dopamiento (poca cantidad de huecos), y una región n de gran volumen de dopamiento intermedio.Para establecer su funcionamiento primero se polariza sólo la juntura BE, dejando el colector abierto. La juntura está polarizada directa, luego se produce un flujo de electrones desde el emisor a lavase, pero también fluirán huecos en menor cantidad desde la base al emisor, como muestra la figura 2.

Fig. 2. (a) Colector abierto. (b) Emisor abierto.

La corriente IE se produce por la suma de los electrones mayoritarios y huecos mayoritarios inyectados por el emisor y la base respectivamente. La corriente entre la base y el emisor será IE. Dado que la base es muy delgada, no soporta grandes corrientes.Polarizando solamente la juntura CB, dejando el emisor abierto, la juntura pn está inversa, luego sólo existe movimiento de portadores huecos minoritarios del colector y los electrones minoritarios de la base, produciendo una corriente inversa de saturación llamada ICBO, entre el colector y la base.

Fig. 3. (a) Polarización completa. (b) Corrientes.Al polarizar de acuerdo a la figura 3a, los electrones mayoritarios inyectados por el emisor atraviesan la base llegando al colector, un pequeño porcentaje se recombina en la base con los huecos mayoritarios aportados por ésta. Así, la corriente por el emisor debido a los electrones

mayoritarios será InE, pero la corriente en el colector debido a estos portadores será αInE, donde α es un número menor que 1, dado que por parte de los electrones se recombinan en la base.Así, la corriente del emisor IE, será función de la corriente producida por los portadores mayoritarios electrones y la corriente debida a los portadores mayoritarios huecos inyectados por la base.

I E=I pB+ I nE

(1).

La corriente que se desvía a la base será (1-α) InE=

InR, luego la corriente en la base ser· la corriente de los portadores mayoritarios huecos de la base más la corriente InR, menos la corriente ICBO como se muestra en la figura 3b.

I B=I pB+ I nR−I CBO

(2).

Finalmente, la corriente por el colector IC será la proveniente del emisor más la corriente de saturación inversa ICBO.

I C=αI nE+ I CBO

(3).

Considerando despreciable el efecto de ICBO, se tiene:

I B=I pB+(1−α ) I nE

(4).

I C=α I nE

(5).

Luego (1) se reemplaza IpB en (4) obteniéndose la clásica ecuación:

I B=I E−I C

(6).

Modos de trabajo:Dependiendo de la condición de polarización (directa o inversa) de cada una de las junturas, se tienen distintos modos de operación. En el modo activo, el BJT opera como amplificador. Los modos de corte y saturación permiten usar el transistor como interruptor

Tabla 1. Zonas de trabajo del BJT.

Para el trabajo en zona activa, la alimentación debe ser de acuerdo a la figura 4. La juntura base-emisor debe encontrarse polarizada en sentido directo; en cambio la juntura base-colector debe polarizarse en forma inversa. Cuando se cumplen simultáneamente ambas condiciones, el BJT se encuentra en zona activa. Así para un transistor npn, VBE > 0, luego VEB > 0 para un transistor pnp.

Fig. 4. Polarización del Transistor. (a) npn. (b) pnp.

En zona activa, la corriente del colector está dada por:

ic=I s eV BE

V T

(7).

Donde IS es la corriente de saturación inversa. Luego, la corriente de base se expresa como:

iB=iC

β(8).

Donde β es una constante propia del transistor, la cual varía entre 100 y 200 para algunos casos, pero puede llegar a valores muy elevados (o bajos 40 y 50), y recibe el nombre de ganancia de corriente de emisor común. De acuerdo a (6), se tiene:

iE=iC+ ib

Luego iE=β+1

βiC , lo que se puede expresar

como iC=αiE. Donde α es llamada la ganancia corriente en base común y su valor es muy cercano a 1 (0.99 para β=100).

II. METODOLOGÍA

Para la realización de la práctica, se modeló un circuito de emisor común, con resistencia en el emisor, el cual se encontrara operando en su región activa, como muestra la figura 5; para con este, obtener la gráfica del voltaje de entrada (VM1) y el voltaje de salida (VM2) y poder observar la ganancia entre estos. Realizando los cálculos de prueba, se llegó a la conclusión de que los valores para las resistencias debían ser los utilizados en el circuito, para los voltajes utilizados, teniendo como entrada una fuente en señal con un nivel en DC de 5[V] y 10[mV] en AC.

Fig. 5. Circuito Transistor en Modo Activo.

Se realizó la simulación del circuito, obteniendo una salida de 30[mV], la figura 6, muestra la comparación de las dos gráficas, mientras que la figura 7 muestra el valor aproximado en los picos de las dos gráficas.

Fig. 6. Comparación de gráficas.

Fig. 7. Valores pico de las ondas.

Podemos obtener la ganancia, dividiendo el voltaje de salida (30[mV]) entre el voltaje de entrada (10[mV]), obteniendo así que la ganancia obtenida es:

Av=30 [mV ]10 [mV ]

Av=3

III. CONCLUSIONES

Cuando un transistor BJT opera en la región lineal o región activa  tiene características eléctricas lineales, que son aprovechadas para la amplificación (debido a que en esta región la distorsión es mínima), la cual se logra a partir de fuentes de alimentación externas que proporcionan las corrientes y tensiones en CD necesarias para que el transistor opere en dicha región, así como suministrarle energía al transistor en donde parte de ella es

convertida luego en potencia (amplificación).

Para que un transistor BJT opere en la región activa, es necesario que la unión base-emisor este en polarización directa con un voltaje entre 0.6 y 0.7 voltios y la unión base-colector se encuentre en polarización inversa dentro de los límites máximos del dispositivo.

La utilización de un software como Tina-TI ayuda a garantizar el funcionamiento de un BJT en su región activa a través del diseño respectivo del circuito en donde se establecen los valores adecuados para el correcto funcionamiento del transistor como amplificador de señal.