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Componentes Electrónicos
Prácticas - PSPICE
Práctica 3: Transistores
PRÁCTICA COMPLETA!
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Escuela Politécnica Superior de Elche
Componentes Electrónicos
Área de Tecnología Electrónica
Práctica 3: Transistores (Simulación con PSPICE)
Índice:
1.
El transistor en continua. Curvas características
1.1 Transistor NPN en Emisor Común
1.2 Transistor NPN en Colector Común
1.3 Transistor PNP en Emisor Común
2
El transistor en continua. Circuitos de polarización
2.1 Circuito autopolarizado
2.2 Circuito de polarización con diodo zener
2.3 Par diferencial con emisor acoplado
3
Circuitos amplificadores con transistores BJT
3.1 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor totalmente
desacoplada
3.2 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor sin desacoplar
3.3 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor parcialmente
desacoplada
3.4 Amplificador en Colector Común
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Componentes Electrónicos
Área de Tecnología Electrónica
En esta práctica se estudiará el análisis de circuitos con transistores bipolares de unión,
BJT, utilizando el simulador circuital PSPICE.
En un primer apartado abordaremos el estudio de las curvas características de
funcionamiento de los transistores, tanto NPN como PNP, en varias configuraciones.
Nos centraremos en el estudio de las curvas de salida de los transistores, evaluando las
distintas regiones de funcionamiento del mismo.
En el segundo apartado de la práctica veremos distintos circuitos de continua con
transistores. En particular veremos dos circuitos ampliamente utilizados para polarizar
el transistor y un circuito de aplicación del transistor BJT como fuente de corriente (el
par diferencial en emisor común).
En el último apartado de la práctica se abordará el análisis de circuitos amplificadores
de señal con transistor. Se analizarán distintas topologías de amplificadores, calculando
en todos los casos los parámetros característicos del amplificador: ganancia de tensión,
ganancia de intensidad, impedancia de entrada, impedancia de salida….
1. El transistor en continua. Curvas características
1.1 Transistor NPN en Emisor Común
En este apartado obtendremos las curvas características de funcionamiento de un
transistor NPN configurado en Emisor Común. En particular evaluaremos el transistor
2n2222 y nos centraremos en la curva característica de salida.
La curva característica de salida en una configuración en Emisor Común relaciona la
corriente de colector frente a la tensión colector emisor para distintos valores de
intensidad de base. Para poder obtener esta gráfica con PSPICE necesitaremos hacer un
doble barrido de continua.
Considere el circuito de la figura 1. En las opciones de simulación seleccione DC
Sweep y habilite tanto el barrido primario como el secundario con los siguientes
parámetros:
Tipo de
análisis
Lineal
Lineal
Primary Sweep V1
Secondary Sweep I1
Valor inicial
Valor final
Incremento
-5V
0A
5V
1mA
0.001V
200uA
Q1
V1
Q2N2222
0Vdc
I1
0Adc
0
Figura 1. Transistor NPN en Emisor Común
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Componentes Electrónicos
Área de Tecnología Electrónica
a) Represente la curva de salida del transistor, es decir, represente la corriente de
colector en función de VCE. Identifique aproximadamente las distintas zonas de
funcionamiento del transistor
b) Mediante los cursores, obtenga los siguientes valores:
IB
200 uA
400 uA
600 uA
800 uA
1 mA
IC (Para VCE=2V)
! F (VCE=2V)
IC (VCE=-2V)
! R (VCE=-2V)
c) Justifique los resultados obtenidos. ¿Coinciden los valores de !F y !R con lo
esperado?
1.2 Transistor NPN en Colector Común
En este apartado obtendremos las curvas características de funcionamiento de un
transistor NPN (2n2222) configurado en Colector Común.
Dibuje en el esquemático de PSPICE el circuito de la figura 2. En las opciones de
simulación seleccione DC Sweep y habilite tanto el barrido primario como el
secundario con los siguientes parámetros:
Tipo de
análisis
Lineal
Lineal
Primary Sweep V1
Secondary Sweep I1
Valor inicial
Valor final
Incremento
-5V
0A
5V
1mA
0.001V
200uA
Q1
V1
Q2N2222
0Vdc
I1
0Adc
0
Figura 2. Transistor NPN en Colector Común
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Área de Tecnología Electrónica
a) Represente la curva de salida del transistor, es decir, represente la corriente de
emisor en función de VEC. Identifique aproximadamente las distintas zonas de
funcionamiento del transistor. Justifique el signo de la tensión VEC en cada
región de funcionamiento.
b) Mediante los cursores, obtenga los siguientes valores:
IB
200 uA
400 uA
600 uA
800 uA
1 mA
IE (Para VEC=2V)
! R (VEC=2V)
IE (VEC=-2V)
! F (VEC=-2V)
c) Justifique los resultados obtenidos. Compare los resultados con los obtenidos en
el apartado anterior (apartado 1.1)
1.3 Transistor PNP en Emisor Común
Evaluamos en este apartado las curvas características de un transistor PNP. Como
referencia tomaremos el transistor 2N2907, que es el complementario del 2N2222.
Considere el circuito de la figura 3, donde el transistor se encuentra en la configuración
Emisor Común. Dibuje el circuito en el esquemático de PSPICE y en las opciones de
simulación seleccione DC Sweep, habilitando tanto el barrido primario como el
secundario con los parámetros indicados en la siguiente tabla.
Tipo de
análisis
Lineal
Lineal
Primary Sweep V1
Secondary Sweep I1
Valor inicial
Valor final
Incremento
-5V
0A
5V
1mA
0.001V
200uA
Q2
V1
Q2N2907
I1
0Vdc
0Adc
0
Figura 3. Transistor PNP en Emisor Común
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a) Represente la curva de salida del transistor, es decir, represente la corriente de
colector en función de VCE. Identifique aproximadamente las distintas zonas de
funcionamiento del transistor. Justifique el signo de la tensión VCE en cada
región de funcionamiento.
b) Obtenga los siguientes valores del circuito:
IB
200 uA
400 uA
600 uA
800 uA
1 mA
IC (Para VCE=2V)
! R (VCE=2V)
IC (VCE=-2V)
! F (VCE=-2V)
c) Justifique los resultados obtenidos. Compare los resultados con los obtenidos en
el apartado 1.1
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2 El transistor en continua. Circuitos de polarización.
Abordamos en este apartado el análisis en continua de circuitos con transistores
bipolares. En particular analizaremos dos de los circuitos de polarización más
ampliamente utilizados y un circuito de aplicación como fuente de corriente.
2.1 Circuito autopolarizado
El circuito autopolarizado es, seguramente, el circuito de polarización de transistores
más utilizado, ya que con una sola fuente de alimentación consigue una intensidad de
base independiente de la intensidad de colector, y por lo tanto, más estable.
Considere el circuito de la figura 4. Dibújelo en el esquemático de PSPICE y simúlelo
con un análisis en el dominio del tiempo.
20V
R1
RC
10k
4k7
Q1
Q2N2222
R2
RE
4k7
3k
0
Figura 4. Circuito de polarización autopolarizado.
a) Obtenga las tensiones e intensidades en los componentes del circuito, en
especial en el transistor. Rellene la siguiente tabla y determine la región de
operación del transistor.
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
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Reg. Oper.
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b) Cambie la resistencia R2 por una de valor 470". Simule de nuevo el circuito y
rellene la siguiente tabla
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
Reg. Oper.
c) Cambie de nuevo la resistencia R2, en este caso por una de valor 47k". Rellene
la tabla siguiente.
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
Reg. Oper.
d) Justifique los resultados obtenidos en los apartados anteriores
2.2 Circuito polarizado con diodo zener
Considere en este caso el circuito de polarización de continua que se muestra en la
figura 5, formado, además de por resistencias y un transistor NPN, por un diodo p-n y
un diodo zener.
20V
R1
RC
2k2
4k7
Q1
Q2N2222
D1N4148
RE
3k
D1N750
0
Figura 5. Circuito de polarización con diodo zener.
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Área de Tecnología Electrónica
a) Simule el circuito en el dominio del tiempo y obtenga las tensiones e
intensidades de los distintos componentes del circuito. Rellene la siguiente tabla:
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
Reg. Oper.
b) Modifique los valores de las resistencias de colector y de emisor (RC=2k";
RE=1k2"). Simule de nuevo el circuito y rellene la tabla siguiente. Justifique los
valores obtenidos, comparándolos con los obtenidos en el punto anterior.
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
Reg. Oper.
c) A la vista de los resultados obtenidos indique las ventajas de este circuito de
polarización.
2.3 Par diferencial de transistores con emisor acoplado
En esta apartado analizaremos uno de los circuitos de aplicación más utilizados del
transistor BJT. Se trata del par diferencial con emisor acoplado, circuito que se utiliza
ampliamente en los circuitos integrados, tanto como amplificador como interruptor
electrónicamente controlado.
Considere el circuito de la figura 6.
20V
R1
2k2
RC1
RC2
4k7
4k7
Q1
2k2
Q2
Q2N2222
R2
R3
Q2N2222
R4
2k2
RE
5k
0
Figura 6. Par diferencial con emisor acoplado.
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2k2
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a) Simule el circuito, obteniendo las tensiones e intensidades en cada uno de los
componentes. Rellene la siguiente tabla con los valores más significativos para
cada uno de los transistores. Comente los resultados obtenidos.
Transistor Q1
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
Reg. Oper.
Transistor Q2
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
Reg. Oper.
b) Modifique el valor de la resistencia de colector del transistor Q2, asignándole un
valor de RC2=1k". Simule de nuevo el circuito y rellene la tabla siguiente.
Transistor Q1
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
Reg. Oper.
Transistor Q2
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
!
Reg. Oper.
c) Justifique los resultados obtenidos en el apartado anterior.
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3 Circuitos amplificadores con transistores BJT
En este apartado, evaluaremos los transistores BJT en la aplicación en más típica de los
mismos en pequeña señal, como parte principal de los circuitos amplificadores. Para
ellos, obtendremos tanto las características de continua del transistor, punto de
polarización, como las características del amplificador, ganancia de tensión, ganancia de
intensidad, impedancia de entrada e impedancia de salida.
3.1 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor totalmente
desacoplada
El primer amplificador que analizaremos será un amplificador en emisor común con la
resistencia de emisor totalmente desacoplada (resistencia de emisor en paralelo con un
condensador). La entrada del amplificador es una señal senoidal de 10mV de amplitud y
una frecuencia de 1kHz. Se ha añadido una impedancia de generador de 50". En cuanto
a la salida del amplificador, se ha supuesto una impedancia de carga de 3.3k". Todos
estos datos quedan reflejados en la figura 7.
20V
R1
Rg
50
VOFF = 0
VAMPL = 10m
FREQ = 1k
v in
220k
RC
4k7
vo
Q1
C1
C2
100u
Q2N2222
100u
RL
vg
3k3
R2
0
0
110k
RE
5k2
C3
100u
0
Figura 7. Circuito amplificador en emisor común con RE totalmente desacoplada.
Dibuje el circuito en el esquemático de PSPICE y simúlelo, ajustando el tiempo de
simulación para que al menos se vean en pantalla 5 periodos de la señal de entrada.
Realice los siguientes apartados.
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a) Obtenga el punto de trabajo del transistor. Rellene la siguiente tabla y
compruebe que el BJT se encuentra en activa directa. Justifique el uso de los
condensadores de entrada y salida en el amplificador.
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
b) Obtenga la ganancia en tensión del amplificador. Para ello dibuje la tensión de
entrada y la de salida del amplificador y obtenga tanto el valor de pico de cada
una de ellas. Justifique el signo de la ganancia.
!! !
!!
!!"
!!"#$ !
!!
!!"
!! !!
c) Obtenga la ganancia de intensidad del amplificador. Para ello dibuje la
intensidad entrante al amplificador y la intensidad saliente y obtenga los valores
de pico de las mismas.
!! !
!!
!!"
!!"#$ !
!!
!!"
!! !!
d) Obtenga la impedancia de entrada del amplificador como el cociente entre la
tensión de entrada y la corriente de entrada.
!!" !
!!"
!!"
e) Obtenga la impedancia de salida del amplificador. Para ello aplique el método
de la fuente de test, es decir, elimine las fuentes independientes del circuito e
inserte en la salida una fuente de test con los mismos parámetros que la fuente
de entrada del circuito en la salida del amplificador (eliminando la impedancia
de carga). La impedancia de salida se obtiene como el cociente entre la tensión y
la intensidad de la fuente de test
!!"# !
!!"#!
!!"#!
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d) Cambie la amplitud de la fuente de entrada y ponga en este caso 0.3V. Simule el
circuito y represente la tensión de entrada y la de salida. Justifique las formas de
onda de las dos tensiones. Obtenga los valores de la tensión de entrada que
hacen que la señal de salida entre en corte o en saturación. Determine la máxima
amplitud que puede tener la tensión de entrada para que el transistor no se salga
de su funcionamiento en activa directa.
!! !!!"#$!!"#$%"&'!!
!! !!!"#$!!"#$%
!!!!!! !
!!!!!! !
3.2 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor sin desacoplar
En este apartado, calcularemos los parámetros del amplificador en el caso de tener la
resistencia de emisor sin desacoplar. El circuito es el mismo que en el caso anterior pero
eliminando el condensador de emisor. Se muestra en la figura 8.
20V
R1
Rg
50
v in
220k
RC
4k7
vo
Q1
C1
C2
100u
Q2N2222
100u
RL
3k3
VOFF = 0
VAMPL = 10m
FREQ = 1k
vg
R2
RE
110k
5k2
0
0
Figura 8. Circuito amplificador en emisor común con RE sin desacoplar.
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0
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Simule el circuito y obtenga los siguientes parámetros:
a) Valores de continua del amplificador. Punto de trabajo. Para ello rellene la
siguiente tabla:
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
b) Parámetros del amplificador en pequeña señal. Siguiendo el método de cálculo
indicado en el apartado anterior, obtenga los distintos parámetros que
caracterizan al amplificador:
!! !
!!"#$ !
!!
!!"
!!
!!"
!! !!
!!"#$ !
!!
!!"
!!" !
!! !!
!!"
!!"
!! !
!!"# !
!!
!!"
!!"#!
!!"#!
c) Comente las diferencias entre los resultados de este apartado y los obtenidos en
el apartado 3.1. Justifique estas diferencias.
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3.3 Amplificador en Emisor Común con resistencia de emisor parcialmente
desacoplada
Evaluamos el mismo circuito amplificador que en los dos apartados anteriores, pero en
este caso la resistencia de emisor está parcialmente desacoplada. El circuito a analizar es
el mostrado en la figura 9.
20V
R1
Rg
50
v in
220k
RC
4k7
C2
vo
Q1
C1
100u
Q2N2222
100u
RL
3k3
VOFF = 0
VAMPL = 10m
FREQ = 1k
vg
R2
RE1
110k
0
500
0
RE2
4k7
C3
100u
0
Figura 9. Circuito amplificador en emisor común con RE parcialmente desacoplada.
Dibuje el circuito y simúlelo. Realice los siguientes apartados.
a) Rellene la siguiente tabla y obtenga el punto de trabajo del transistor:
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
b) Obtenga los parámetros característicos del amplificador en pequeña señal.
!! !
!!
!!"
!!"#$ !
!!
!!"
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!! !!
!! !
!!
!!"
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!!"#$ !
!!
!!"
!!" !
!! !!
!!"
!!"
!!"# !
!!"#!
!!"#!
c) Comente las diferencias entre los resultados de este apartado y los obtenidos en
los dos apartados anteriores (3.1 y 3.2). Justifique estas diferencias.
3.3 Amplificador en Colector Común
En este apartado analizaremos un amplificador basado en transistor bipolar, pero en este
caso el transistor se encuentra en una configuración de colector común.
El amplificador a simular es el mostrado en la figura 10.
20V
R1
Rg
50
v in
270k
RC
3k
Q1
C1
Q2N2222
100u
C2
vo
VOFF = 0
VAMPL = 10m
FREQ = 1k
vg
R2
100u
RE
100k
2k2
RL
3k3
0
0
0
Figura 10. Circuito amplificador en colector común
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Simule el circuito y realice los siguientes apartados:
a) Obtenga el punto de trabajo del transistor y rellene la tabla.
IBQ
ICQ
VCEQ
VBEQ
b) Obtenga los parámetros característicos del amplificador en pequeña señal.
!! !
!!"#$ !
!!
!!"
!!
!!"
!! !!
!!"#$ !
!!
!!"
!!" !
!! !!
!!"
!!"
!! !
!!"# !
!!
!!"
!!"#!
!!"#!
c) Justifique los resultados obtenidos. A la vista de los resultados indique en qué
casos utilizaría un amplificador en configuración de colector común
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