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Instituto Tecnológico de Costa Rica – Laboratorio de Circuitos Discretos
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Experimento 11 – Configuraciones Darlington, Cascode,
Fuente de Corriente y Espejo de corriente con transistores
BJT.
Rosales, Luis
Objetivos—1) Probar experimentalmente configuraciones
avanzadas de uso de transistores en la región lineal.
2) Medir voltajes y corrientes en las configuraciones avanzadas
de transistores.
I. EQUIPO REQUERIDO
Instrumentos:
• Multímetro Digital (DMM)
• Osciloscopio
• Generador de señales
• Fuente de CD
Componentes:
• Resistencias:
o 20Ω [1]
o 80Ω [1]
o 100Ω [1]
o 50Ω [1] – 1W
o 150 Ω [1]
o 1 kΩ [1]
o 1.2kΩ [2]
o 1.8 kΩ [1]
o 3.6 kΩ [1]
o 4.3 kΩ [2]
o 4.7 kΩ [1]
o 5 kΩ [1]
o 5.6 kΩ [1]
o 6.8 kΩ [1]
o 7.5 kΩ [1]
o 9.1 kΩ [1]
o 10 kΩ [1]
o 100 kΩ [1]
o 50 kΩ [1] – Potenciómetro.
• Capacitores:
o 10 µF [4]
o 1 nF [1]
• Transistores:
o 2N3904 ó equivalente (3)
o 2N3823 ó equivalente (1)
o TIP120 Darlington ó equivalente (1)
II. RESUMEN TEÓRICO
Darlington: Una conexión de transistores en Darlington,
como se muestra en el circuito de la figura E11-1, utiliza un
par de transistores BJT con ganancias β1 y β2, respectivamente
un solo encapsulado con un beta efectivo βD = β1 * β2.
Utilizar un transistor Darlington para construir un seguidor
de emisor, hace que este tenga una impedancia de entrada
mayor que si se construyera con un transistor convencional,
dado que:
𝑍𝑖 = 𝑅𝐵 ||(𝛽𝐷 𝑅𝐸 )
(1)
𝑍𝑜 = 𝑟𝑒
(2)
Mientras que la impedancia de salida queda dada por:
La ganancia de voltaje (Av) queda dada por (3):
𝐴𝑉 =
𝑅𝐸
𝑅𝐸 + 𝑟𝑒
(3)
Figura E11-1: Transistor Darlington, en configuración
Seguidor de Emisor
Cascode: En este tipo de circuito, como se muestra en la
figura E11-2, provee un amplificador de emisor común (AEC)
conformado por el transistor Q1, directamente conectado a un
amplificador de base común (ABC) conformado por Q2.
La ganancia de voltaje dada por AEC es aproximadamente
1 pero con carácter inversor: AV1=-1. Mientras que la ganancia
de voltaje dada por el ABC es: AV2= RC/re2
La ganancia de voltaje total queda dada por (4):
𝑅𝐶
(4)
𝑟𝑒2
Donde re se usa para denotar la resistencia dinámica del
transistor y se calcula como: re=26mV/IE
𝐴𝑉 = −
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Fuente de Corriente: La figura E11-3 muestra una forma
simplificada de un transistor JFET utilizado como fuente de
corriente. Al conectar su terminal de Gate directo a tierra, el
transistor opera en estado de saturación con una corriente
Drain-Source casi constante independientemente de la carga
que se conecte (RL).
La figura E11-3 muestra también una fuente de corriente
construida mediante un transistor BJT. En este caso, el voltaje
en la base está dado por:
𝑅1
𝑉𝐵 = −𝑉𝐸𝐸
𝑅1 + 𝑅2
(5)
𝑉𝐸 − 𝑉𝐸𝐸
= 𝐼𝐿
𝑅𝐸
(6)
2
Espejo de Corriente: En la figura E11-4 se muestra un
espejo de corriente, en el cual la corriente que se establece
ajustando el valor de la resistencia RX se refleja en la corriente
que se hace pasar a través de la carga RL.
𝐼𝑋 =
𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸
= 𝐼𝐿
𝑅𝑋
(7)
La misma figura E11-4 muestra como el efecto del espejo
de corriente se puede extender a más de una corriente de
carga.
Si se considera que VE=VB-0.7V, entonces, la corriente IE,
se mantiene casi constante y dada por:
𝐼𝐸 =
Figura E11-4: Espejos de corriente
Figura E11-2: Amplificador Cascode
III. PROCEDIMIENTO
Parte A – Seguidor de emisor con transistor Darlington
A-1 Arme el circuito de la figura E11-1.
Ajuste el potenciómetro en RB de manera que el voltaje
en el emisor (VE) sea 5V.
Analice teóricamente el circuito y obtenga los valores
calculados para llenar la tabla E11-1
A-2 Realice las mediciones experimentales de VB y VE.
Anote en la tabla E11-1 y compare contra los valores
calculados.
Figura E11-3: Fuentes de Corriente
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Tabla E11-1: Seguidor Emisor Darlington
Calculado
Medido
% Diferencia
3
Grafique los valores de Vi y Vo en la figura E11-5.
VB(v)
VE(v)
AV
Zi(Ω)
Zo(Ω)
A-3 Ponga un voltaje de entrada (VGen) de 10mV RMS a
1kHz. Mida el voltaje en la salida y ajuste VGen hasta que no se
presente distorsión en la salida Vo.
Estime el valor experimental de ganancia de voltaje
comparando los valores pico de Vi y Vo.
Anote en la tabla E11-1 y compare contra el valor
calculado.
A-4 Conecte una resistencia de prueba RX de 100kΩ entre
Vi y la terminal izquierda de C1.
Mida el voltaje V1 en la terminal izquierda de C1.
Usando V1 y VGen, estime el valor medido Zi usando (8).
Anote en E11-1 y compare contra el valor calculado
𝑍𝑖 =
𝑉1
𝑅
𝑉1 + 𝑉𝐺𝑒𝑛 𝑋
(8)
Retire la resistencia Rx.
A-4 Mantenga el generador a 10mV RMS a 1kHz con el
ajuste necesario para evitar distorsión en VO.
Mida el voltaje de salida en vacío VO (sin resistencia de
carga conectada)
Conecte una resistencia de carga RL=100Ω y mida el voltaje
de salida con carga: VOL.
Estime el valor medido para la impedancia de salida Zo
usando (9). Anote en la tabla E11-1 y compare contra el valor
calculado.
𝑍𝑂 =
𝑉𝑂 − 𝑉𝑂𝐿
𝑅𝐿
𝑉𝑂𝐿
(9)
Figura E11-5 Vi y Vo en Amplificador Cascode
Tabla E11-2: Caracterización del Amplificador Cascode
Calculado
Medido
% Diferencia
VB1(v)
VC1(v)
VE1(v)
VB2(v)
VC2(v)
VE2(v)
IE1(mA)
IE2(mA)
rE1(Ω)
rE2(Ω)
Av
Parte C – Fuente de corriente JFET
C-1 De la figura E11-3, arme el circuito que utiliza al
transistor JFET. Utilice RL=50Ω
C-2 Mida el voltaje VDS y calcule la corriente IL como:
Parte B – Amplificador Cascode
B-1 Arme el circuito de la figura E11-2.
Analice el circuito teóricamente y calcule los valores
indicados en la tabla E11-2.
B-2 Experimentalmente mida todos los valores indicados en
la tabla E11-2. Compare la diferencia respecto a los valores
calculados.
Para medir las resistencias dinámicas rE, utilice el método
indirecto: rE=26mV/IE.
Para medir la ganancia de voltaje, utilice el método
conocido de aplicar un voltaje de entrada
(Vi=10mVRMS@1kHz) y ajustarlo hasta que la salida no
presente distorsión. Compare con el osciloscopio Vi y Vo para
determinar el valor de la ganancia.
Recuerde que si Vo aparece desfasado 180º de Vi, significa
que la ganancia de voltaje Av es inversora, y por lo tanto tiene
un valor negativo.
𝐼𝐿 =
𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝐷𝑆
𝑅𝐿
(10)
C-3 Repita los pasos C-1 y C-2 sustituyendo el valor de RL
por los indicados en la tabla E11-3
Tabla E11-3:Fuente de corriente JFET
RL(Ω)
Calculado
Medido
20
50
80
100
150
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Parte D – Fuente de corriente BJT
IV. PROBLEMAS Y EJERCICIOS
D-1 De la figura E11-3, arme el circuito que utiliza al
transistor BJT. Analice y calcule el valor de IL.
D-2 Mida experimentalmente los valores de VE, VC, IL e IE.
D-3 Reemplace RL por los valores indicados en la tabla
E11-4. En cada caso, calcule de nuevo IE y mida nuevamente
VE, VC, IL e IE. Anote en la tabla E11-4.
RL(kΩ)
VE(V)
VC(V)
IE(mA)
IE-Med(mA)
IE-Calc(mA)
Tabla E11-4:Fuente de corriente BJT
3.6
4.3
5
A) Comparado con un seguidor de emisor con un transistor BJT
común, ¿Cuánto mejora el circuito con el uso del Darlington?
Refiérase en particular a las impedancias de entrada, salida y
ganancia de voltaje Av.
B) Analice la ganancia de voltaje compuesta para el amplificador
Cascode. ¿Cómo influye cada etapa en la composición de Av
global?
C) ¿Cómo influye la variación de la resistencia de carga RL en la
fuente de corriente JFET? A partir de los resultados
experimentales determine: ¿Cuál es el valor mínimo de RL
que garantiza un valor constante de IL?
D) Compare las fuentes de corriente JFET y BJT ¿Cuál resulta
más estable en mantener un valor constante de IL? Justifique.
E) ¿Cómo influye la variación de RL en los espejos de corriente?
¿Se afecta de alguna manera a IX? Justifique.
7.5
Parte E – Espejo de corriente
E-1 De la figura E11-4, arme el espejo de corriente simple
(el circuito de 2 transistores).
E-2 Mida los valores indicados en la tabla E11-5 para los
valores de resistencia RL indicados en la tabla.
Tabla E11-5:Espejo de corriente BJT simple
RL(kΩ)
10
3.6
1
VB1(V)
VC2 (V)
IX-Calc(mA)
IX-Med(mA)
IL(mA)
Parte F – Espejo de corriente múltiple
F-1 De la figura E11-4, arme el espejo de corriente múltiple
(el circuito con 3 transistores).
F-2 Mida los valores indicados en la tabla E11-6 para los
valores de resistencia R1 y R2 indicados en la tabla.
Tabla E11-6:Espejo de corriente BJT múltiple
R1(kΩ)
10
3.6
R2(kΩ)
3.6
10
VB1(V)
VC2 (V)
VC3 (V)
IX (mA)
IL1(mA)
IL2(mA)
BIBLIOGRAFÍA
[1]
Boylestad, R. & Naschelsky, L. "Electrónica: Teoría de Circuitos".