Experimento 4 - Escuela de IngenierÃa Electrónica - Tecnológico de ...
Experimento 4 - Escuela de IngenierÃa Electrónica - Tecnológico de ...
Experimento 4 - Escuela de IngenierÃa Electrónica - Tecnológico de ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Costa Rica<br />
<strong>Escuela</strong> <strong>de</strong> Ingeniería Electrónica<br />
Profesores: Ing. Sergio Morales, Ing. Pablo Alvarado, Ing. Eduardo Interiano<br />
Laboratorio <strong>de</strong> Elementos Activos<br />
II Semestre 2006<br />
I<br />
<strong>Experimento</strong> 4: Curvas características <strong>de</strong> componentes <strong>de</strong> tres terminales (transistores)<br />
Objectivo General<br />
Al finalizar el experimento y su análisis, el estudiante estará en capacidad <strong>de</strong> obtener las curvas<br />
características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> transistores bipolares (BJT), transistores <strong>de</strong> efecto <strong>de</strong> campo <strong>de</strong><br />
unión (JFET o FET) y transistores FET <strong>de</strong> metal-óxido-semiconductor (MOSFET) y sus<br />
parámetros más importantes<br />
II<br />
Objetivos Específicos<br />
Al terminar el laboratorio y su análisis, el estudiante estará en capacidad <strong>de</strong><br />
III<br />
1. Obtener las curvas características <strong>de</strong> componentes <strong>de</strong> 3 terminales.<br />
2. Obtener las curvas características <strong>de</strong> los transistores BJT y JFET.<br />
3. Obtener las curvas características <strong>de</strong> MOSFET <strong>de</strong> enriquecimiento canal N y P.<br />
4. Explicar el funcionamiento <strong>de</strong> los transistores BJT, FET y MOSFET.<br />
5. Determinar los parámetros más importantes <strong>de</strong> los transistores BJT, FET y MOSFET a<br />
partir <strong>de</strong> sus curvas características en emisor o surtidor común respectivamente.<br />
6. Representar transistores BJT, FET y MOSFET mediante mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> CD y CA a<strong>de</strong>cuados<br />
para el análisis <strong>de</strong> circuitos.<br />
Cuestionario Previo<br />
1. ¿Qué función cumple la resistencia R M en el circuito <strong>de</strong> la figura 1? ¿Qué representa la<br />
tensión U RM ?<br />
2. ¿Cuál es la sensibilidad <strong>de</strong> corriente equivalente <strong>de</strong>l canal vertical (Y) <strong>de</strong>l trazador <strong>de</strong><br />
curvas en el modo SIGNAL?<br />
3. ¿Qué función <strong>de</strong>sempeña el diodo D 1 en el circuito <strong>de</strong> la figura 1?<br />
4. ¿En cuál cuadrante <strong>de</strong>l ORC aparecerán las curvas características <strong>de</strong> salida (colectoremisor)<br />
según el circuito <strong>de</strong> medición <strong>de</strong> la figura 1?<br />
5. Investigue y dibuje en su cua<strong>de</strong>rno <strong>de</strong> laboratorio la forma esperada <strong>de</strong> las curvas características<br />
<strong>de</strong> salida <strong>de</strong> los transistores a usar en el experimento.<br />
1
6. ¿Qué significan los términos emisor común, colector común, base común en el contexto<br />
<strong>de</strong> los circuitos con transistores bipolares, y los términos surtidor común, drenador común<br />
y puerta común en el contexto <strong>de</strong> los transistores FET (o MOSFET)?<br />
7. ¿Cuáles son los parámetros importantes <strong>de</strong> la característica <strong>de</strong> salida (colector-emisor)<br />
<strong>de</strong> un transistor en emisor común?<br />
8. Obtenga <strong>de</strong> las hojas <strong>de</strong> datos <strong>de</strong> los transistores a usar, la distribución <strong>de</strong> patillas.<br />
9. Investigue el funcionamiento <strong>de</strong> los transistores BJT, FET y MOSFET. ¿En qué se<br />
diferencian los transistores BJT, los MOSFET y los JFET?<br />
10. ¿Qué tipos <strong>de</strong> transistores FET existen? Investigue la forma <strong>de</strong> las curvas características<br />
típicas para ellos. ¿Qué curvas espera observar usted en este laboratorio?<br />
11. ¿Cómo se pue<strong>de</strong> medir la resistencia dinámica y la resistencia estática <strong>de</strong>l diodo baseemisor?<br />
12. Investigue qué son los parámetros I DSS , tensión <strong>de</strong> estrechamiento U TR = U P =<br />
U GS(OFF) , tensión <strong>de</strong> ruptura BU GSS , transconductancia <strong>de</strong>l dispositivo g m = g fs y<br />
resistencia <strong>de</strong> drenaje-fuente r DS(ON) .<br />
13. ¿Qué condiciones <strong>de</strong>ben cumplirse para que un FET trabaje como resistencia controlable<br />
por tensión?<br />
14. Investigue como utilizar el trazador <strong>de</strong> curvas para medir las curvas características <strong>de</strong><br />
los FET utilizados en el laboratorio.<br />
15. Desarrolle un circuito para obtener las curvas <strong>de</strong> salida<br />
I D = f(U DS )| UGS =cte<br />
para transistores MOSFET <strong>de</strong> enriquecimiento canal N y P, con cero error <strong>de</strong> tensión.<br />
Limite los valores absolutos <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> puerta a 5 V y <strong>de</strong> drenador-surtidor a 10 V.<br />
Tome en cuenta las polarida<strong>de</strong>s a<strong>de</strong>cuadas para cada circuito.<br />
16. ¿En cuál cuadrante <strong>de</strong>l ORC aparecerán las curvas características <strong>de</strong> salida, según su<br />
circuito <strong>de</strong> medición para los MOSFET canal N y canal P?<br />
En la parte II <strong>de</strong> este experimento usted <strong>de</strong>be utilizar la experiencia generada en la parte<br />
I (curvas características <strong>de</strong> BJT) para dimensionar y configurar parcialmente los circuitos a<br />
utilizar en la obtención manual <strong>de</strong> las curvas características y los parámetros <strong>de</strong> los FET.<br />
Revise el procedimiento y complete el circuito <strong>de</strong> medición en la figura 2 <strong>de</strong> las maneras<br />
solicitadas para extraer los diferentes datos. Note que los valores <strong>de</strong> R D y R S pue<strong>de</strong>n ser<br />
cero, <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> lo que se <strong>de</strong>ba medir. Simule los circuitos propuestos para verificar su<br />
funcionamiento antes <strong>de</strong> asistir a la segunda sesión <strong>de</strong> laboratorio.<br />
Nota: Estos circuitos <strong>de</strong>ben ser discutidos con el profesor previamente a su montaje.<br />
2
IV<br />
Materiales y Equipo<br />
1 Fuente CD<br />
1 multímetro<br />
1 generador <strong>de</strong> funciones (sinusoidal, rectangular, triangular)<br />
1 ORC<br />
1 Trazador <strong>de</strong> curvas KI3020A<br />
1 Placa <strong>de</strong> montaje experimental AC-90001 o similar (“protoboard”)<br />
1 Transistor 2N3904/KN3904 o equivalente<br />
1 Transistor JFET NTE132, NTE312, 2SK30ATM (K30A), o equivalente<br />
1 Circuito integrado CMOS CD4007<br />
1 Diodo rectificador <strong>de</strong> silicio 1N4001 o equivalente<br />
Resistencias <strong>de</strong> 1/4 W <strong>de</strong> 100 Ω, 10 kΩ y 100 kΩ<br />
Resistencias <strong>de</strong>terminadas por el estudiante<br />
Alambre aislado 26/24AWG, alicates <strong>de</strong> punta, cortadora <strong>de</strong> cable<br />
Cables con terminales <strong>de</strong> banana<br />
Enchufe aislador <strong>de</strong> tierras (tapón aislador o cable sin pata <strong>de</strong> tierra)<br />
Hojas para oscilogramas<br />
V<br />
Procedimiento<br />
Es importante antes <strong>de</strong> comenzar que:<br />
• mida y anote el valor real <strong>de</strong> las resistencias empleadas,<br />
• verifique la condición <strong>de</strong> los diodos a emplear,<br />
• aisle la tierra <strong>de</strong>l osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra <strong>de</strong>l generador.<br />
Confirme con una medición <strong>de</strong> continuidad usando el multímetro.<br />
Parte Ia Obtención manual <strong>de</strong> las curvas <strong>de</strong> transistores bipolares (BJT)<br />
Familia <strong>de</strong> curvas características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l BJT en configuración <strong>de</strong> emisor común.<br />
I C = f(U CE )| IB =cte<br />
1. Monte, en la placa experimental, el circuito <strong>de</strong> medición <strong>de</strong> la figura 1. Use acople <strong>de</strong><br />
CD en el ORC en conexión como trazador X-Y. Use el multímetro para las mediciones<br />
<strong>de</strong> CD.<br />
2. Ajuste la frecuencia <strong>de</strong>l generador a 60 Hz y la amplitud a 5 V en onda sinusoidal o<br />
triangular. Verifique la polaridad <strong>de</strong>l diodo.<br />
3. Ajuste la tensión <strong>de</strong> la fuente para obtener una corriente <strong>de</strong> base que lleve al transistor<br />
a su zona <strong>de</strong> saturación y otra que lo lleve a su zona <strong>de</strong> corte. Mida y grafique la<br />
curva característica <strong>de</strong> salida (colector-emisor) en emisor común para estas corrientes y<br />
también para dos corrientes intermedias.<br />
3
X<br />
D 1<br />
R B =10kΩ<br />
Q 1<br />
NPN<br />
Generador<br />
60 Hz<br />
5 V p<br />
Fuente CD<br />
R M =100Ω<br />
Y INV<br />
Figura 1: Circuito <strong>de</strong> medición para la Parte Ia.<br />
4. Aumente lentamente la tensión <strong>de</strong>l generador y observe y anote los cambios en la curva<br />
característica <strong>de</strong> salida. ¿Qué fenómeno ocurre y a qué tensión comienza?<br />
Parte Ib Obtención <strong>de</strong> las curvas <strong>de</strong>l BJT <strong>de</strong> forma automática<br />
1. Ajuste el trazador <strong>de</strong> curvas KI-3020A según la tabla 1.<br />
Interruptor/Perilla<br />
Tabla 1: Ajustes <strong>de</strong>l KI-3020A para la Parte Ib<br />
Ajuste/Valor<br />
Selector <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong> base 50µA ó 100µA (pruebe primero con 50µA)<br />
POLARITY<br />
NPN<br />
H-LENGTH<br />
girada completamente en el sentido <strong>de</strong>l reloj<br />
POWER<br />
ON<br />
CURRENT LIMIT SIGNAL (R i <strong>de</strong> medición para I C es <strong>de</strong> 100 Ω)<br />
Selector <strong>de</strong> tipo <strong>de</strong> transistor TRANS<br />
Selector <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> barrido 5 V<br />
SELECTOR<br />
OFF<br />
2. Ajuste el osciloscopio según la tabla 2.<br />
Tabla 2: Ajustes <strong>de</strong>l osciloscopio<br />
Interruptor/Perilla<br />
Sensibilidad canal X<br />
Sensibilidad canal Y<br />
Barrido horizontal<br />
Ajustes <strong>de</strong> posición <strong>de</strong>l trazo<br />
Ajuste/Valor<br />
0,5 V/cm<br />
50 mV/cm<br />
como trazador X-Y<br />
Ajuste el origen <strong>de</strong> la gráfica X-Y en la esquina<br />
inferior izquierda<br />
4
3. Con el interruptor SELECTOR en OFF, coloque el transistor en una <strong>de</strong> las bases A o B.<br />
Asegúrese <strong>de</strong> que los terminales <strong>de</strong>l transistor se conecten a las respectivas terminales<br />
<strong>de</strong> la base.<br />
4. Con el interruptor SELECTOR en A o B, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> dón<strong>de</strong> colocó el transistor, mida y<br />
grafique la familia <strong>de</strong> curvas características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l transistor en emisor común.<br />
5. Mida la resistencia estática y dinámica <strong>de</strong>l transistor con una corriente <strong>de</strong> base <strong>de</strong> 200µA,<br />
manteniendo constante la tensión colector-emisor U CE en 2 y 5 voltios.<br />
Parte IIa Obtención <strong>de</strong> curvas <strong>de</strong> transistores FET <strong>de</strong> forma manual<br />
1. Modifique el circuito <strong>de</strong> la figura 2 para medir I DSS . Consi<strong>de</strong>re que U DS no <strong>de</strong>be<br />
sobrepasar 10 V, pero que <strong>de</strong>be ser suficientemente alta para asegurar que el FET entre<br />
en la región <strong>de</strong> saturación.<br />
D<br />
R D<br />
B<br />
100 kΩ<br />
R S<br />
A<br />
C<br />
Figura 2: Circuito <strong>de</strong> Medición.<br />
2. Modifique el circuito <strong>de</strong> la figura 2 para <strong>de</strong>terminar la curva <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong>l JFET<br />
I D = f(U GS ). Debe asegurar que U DS sea constante. Utilice los datos <strong>de</strong>l fabricante<br />
para seleccionar un valor <strong>de</strong> tensión U DS que obligue al transistor a operar en saturación<br />
(fuera <strong>de</strong> la región óhmica) para todo el rango <strong>de</strong> corrientes I D , y que U DS sea menor<br />
a 10 V. Utilice al menos 8 puntos para trazar la curva, o una medición con el osciloscopio.<br />
Si <strong>de</strong>ci<strong>de</strong> utilizar una medición con el osciloscopio, dimensione la resistencia que<br />
utilice como sensor <strong>de</strong> corriente para que el error en la tensión U DS no supere el 5%,<br />
consi<strong>de</strong>rando que la corriente máxima sería I DSS .<br />
3. Determine el valor <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> estrangulamiento (o estrechamiento) U P .<br />
4. Modifique ahora el circuito <strong>de</strong> la figura 2 para medir con el osciloscopio la curva característica<br />
<strong>de</strong> drenador I D = f(U DS ) para un <strong>de</strong>terminado valor <strong>de</strong> U GS . Asegúrese<br />
<strong>de</strong> que la tensión U DS nunca sea negativa (utilice por ejemplo un circuito rectificador).<br />
Divida el rango <strong>de</strong> tensiones U GS entre 0 V y U P para que contenga al menos 5 curvas.<br />
Dimensione R D para permitir que el FET entre en saturación.<br />
5
Parte IIb Obtención <strong>de</strong> curvas <strong>de</strong> transistores FET <strong>de</strong> forma automática<br />
1. Verifique los resultados <strong>de</strong> las características <strong>de</strong> drenador <strong>de</strong> la parte IIa utilizando un<br />
trazador <strong>de</strong> curvas.<br />
Parte IIIa Obtención <strong>de</strong> curvas <strong>de</strong> transistores MOSFET manualmente<br />
Nota: Para evitar que el experimento se torne <strong>de</strong>masiado largo, use el método <strong>de</strong> la parte IIIa<br />
para un tipo <strong>de</strong> transistor MOSFET y el método <strong>de</strong> la parte IIIb para el otro tipo.<br />
Familia <strong>de</strong> curvas características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l MOSFET en configuración <strong>de</strong> surtidor común<br />
I D = f(U DS )| UGS =cte<br />
1. Monte, en la placa experimental, su circuito <strong>de</strong> medición. Use acople <strong>de</strong> CD en el<br />
ORC en conexión como trazador X-Y. Use el multímetro para las mediciones <strong>de</strong> CD<br />
(promedios).<br />
2. Ajuste la frecuencia <strong>de</strong>l generador a 100 Hz y la amplitud a 5 V en onda triangular o<br />
sinusoidal. Verifique la polaridad <strong>de</strong>l diodo.<br />
3. Ajuste los canales <strong>de</strong>l osciloscopio para obtener una curva a<strong>de</strong>cuada. La resistencia <strong>de</strong><br />
medición <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong>be ser <strong>de</strong> 100 Ω.<br />
4. Realice la medición <strong>de</strong> la característica <strong>de</strong> salida para diferentes valores <strong>de</strong> tensión U GS .<br />
Determine el valor <strong>de</strong> U T para cada tipo <strong>de</strong> transistor.<br />
Parte IIIb Obtención <strong>de</strong> las curvas <strong>de</strong> transistores MOSFET <strong>de</strong> forma automática<br />
1. Ajuste el trazador <strong>de</strong> curvas KI-3020A según la tabla 3.<br />
Interruptor/Perilla<br />
Tabla 3: Ajustes <strong>de</strong>l KI-3020A para Parte IIIb<br />
Ajuste/Valor<br />
Selector <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong> base externa<br />
POLARITY<br />
Canal N o P según el tipo <strong>de</strong> transistor MOS<br />
H-LENGTH<br />
girada completamente en el sentido <strong>de</strong>l reloj<br />
POWER<br />
ON<br />
CURRENT LIMIT SIGNAL (R i <strong>de</strong> medición para I D es <strong>de</strong> 100 Ω)<br />
Selector <strong>de</strong> tipo <strong>de</strong> transistor FET (en realidad no importa, pues está usando<br />
polarización externa)<br />
Selector <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> barrido 5 V ó 10 V<br />
SELECTOR<br />
OFF para insertar el transistor, luego A o B<br />
2. Conecte una fuente <strong>de</strong> alimentación externa <strong>de</strong> la polaridad a<strong>de</strong>cuada para estimular la<br />
puerta <strong>de</strong>l MOSFET y ajústela para obtener las curvas <strong>de</strong> salida I D = f(U DS )| UGS =cte<br />
una por una.<br />
6
VI<br />
3. Ajuste el osciloscopio para observar el trazo <strong>de</strong> manera a<strong>de</strong>cuada en la pantalla ajustando<br />
el selector en la posición A o B en la que conectó su FET.<br />
Evaluación<br />
1. Determine con ayuda <strong>de</strong> las curvas obtenidas los siguientes parámetros <strong>de</strong>l transistor<br />
para el punto <strong>de</strong> operación (PO) I B = 200µA y U CE = 2 V.<br />
1.1. Resistencias estática y dinámica base-emisor:<br />
R BE = U BE<br />
I B<br />
y r BE = ∆U BE<br />
∆I B<br />
1.2. Ganancias <strong>de</strong> corriente estática y dinámica <strong>de</strong> emisor común:<br />
h FE (B) = I C<br />
I B<br />
y h fe (β) = ∆I C<br />
∆I B<br />
1.3. Resistencias estática y dinámica colector-emisor:<br />
R CE = U CE<br />
I C<br />
y r CE = ∆U CE<br />
∆I C<br />
2. Investigue y explique la <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> los parámetros <strong>de</strong>l transistor con respecto a la<br />
temperatura.<br />
3. Investigue y documente los mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> representación <strong>de</strong>l transistor bipolar para pequeña<br />
señal en CA (parámetros híbridos); y para CD y gran señal (Ebers-Moll).<br />
4. ¿A qué se <strong>de</strong>be el fenómeno observado en el punto 4 <strong>de</strong> la parte Ia.? ¿Por qué <strong>de</strong>be<br />
evitarse esto en el trabajo normal <strong>de</strong> un transistor bipolar?<br />
5. ¿Cómo se pue<strong>de</strong> medir la tensión <strong>de</strong> saturación <strong>de</strong> colector-emisor U CEsat en las curvas<br />
<strong>de</strong> salida <strong>de</strong> un transistor en emisor común?<br />
6. ¿Cómo podría medirse la familia <strong>de</strong> curvas características <strong>de</strong> entrada (base-emisor) para<br />
un transistor bipolar en conexión <strong>de</strong> emisor común con U CE =cte.? Dibuje el circuito<br />
<strong>de</strong> medición.<br />
7. Investigue que es la trasconductancia y como pue<strong>de</strong> obtenerse a través <strong>de</strong> mediciones la<br />
transconductancia estática y la transconductancia dinámica.<br />
8. Compare la curva <strong>de</strong> transferencia experimental I D = f(U GS ) con la ecuación <strong>de</strong> Shockley.<br />
9. Compare las curvas características <strong>de</strong> drenador obtenidas con el trazador, sus mediciones<br />
manuales y los datos <strong>de</strong>l fabricante.<br />
7
10. Derive <strong>de</strong> las curvas características <strong>de</strong> drenador la curva <strong>de</strong> transferencia y compárela<br />
con las obtenidas directamente y con los datos <strong>de</strong>l fabricante.<br />
11. Respecto a la resistencia <strong>de</strong> entrada R GS <strong>de</strong>l FET ¿A qué valor tien<strong>de</strong> esta resistencia<br />
y por qué? Proponga un circuito <strong>de</strong> medición para medirla evitando que se produzcan<br />
errores extremos.<br />
12. Empleando las curvas <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l FET <strong>de</strong>scriba un método para <strong>de</strong>terminar su resistencia<br />
dinámica <strong>de</strong> salida r DS . Sea claro y especifique todos los pasos.<br />
13. Una manera práctica <strong>de</strong> hallar la tensión <strong>de</strong> estrangulación en un JFET y sobre la curva<br />
<strong>de</strong> transconductancia es <strong>de</strong>terminar sobre la curva la tensión U GS para la cual la corriente<br />
<strong>de</strong>l drenador ha disminuido hasta un valor equivalente al 10% <strong>de</strong> su valor máximo. Esto<br />
es cuando I D = 0,1I DSS . Compare este valor con el obtenido teóricamente en base a<br />
los datos que brinda el fabricante respecto a I DSS y g m0 .<br />
14. Respecto a la curva <strong>de</strong> salida: Separe la curva en dos zonas. Destaque la zona <strong>de</strong><br />
resistencia óhmica (U DS < U GSOFF ) y calcule aproximadamente el parámetro r DS .<br />
Asuma un valor específico <strong>de</strong>l parámetro U GS . Para la zona no lineal calcule el valor <strong>de</strong><br />
r DS .<br />
15. Trace sobre la curva <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l FET la hipérbola <strong>de</strong> máxima disipación para el valor<br />
<strong>de</strong> potencia drenador-surtidor indicado por el fabricante.<br />
EIS/pam, 24 <strong>de</strong> agosto <strong>de</strong> 2006<br />
8