Download Experimento 4 - Escuela de Ingeniería Electrónica

Instituto Tecnológico de Costa Rica
Escuela de Ingenierı́a Electrónica
Profesores: Ing. Sergio Morales, Ing. Pablo Alvarado, Ing. Eduardo Interiano
Laboratorio de Elementos Activos
II Semestre 2006
Experimento 4: Curvas caracterı́sticas de componentes de tres terminales (transistores)
I
Objectivo General
Al finalizar el experimento y su análisis, el estudiante estará en capacidad de obtener las curvas
caracterı́sticas de salida de transistores bipolares (BJT), transistores de efecto de campo de
unión (JFET o FET) y transistores FET de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) y sus
parámetros más importantes
II
Objetivos Especı́ficos
Al terminar el laboratorio y su análisis, el estudiante estará en capacidad de
1. Obtener las curvas caracterı́sticas de componentes de 3 terminales.
2. Obtener las curvas caracterı́sticas de los transistores BJT y JFET.
3. Obtener las curvas caracterı́sticas de MOSFET de enriquecimiento canal N y P.
4. Explicar el funcionamiento de los transistores BJT, FET y MOSFET.
5. Determinar los parámetros más importantes de los transistores BJT, FET y MOSFET a
partir de sus curvas caracterı́sticas en emisor o surtidor común respectivamente.
6. Representar transistores BJT, FET y MOSFET mediante modelos de CD y CA adecuados
para el análisis de circuitos.
III
Cuestionario Previo
1. ¿Qué función cumple la resistencia RM en el circuito de la figura 1? ¿Qué representa la
tensión URM ?
2. ¿Cuál es la sensibilidad de corriente equivalente del canal vertical (Y) del trazador de
curvas en el modo SIGNAL?
3. ¿Qué función desempeña el diodo D1 en el circuito de la figura 1?
4. ¿En cuál cuadrante del ORC aparecerán las curvas caracterı́sticas de salida (colectoremisor) según el circuito de medición de la figura 1?
5. Investigue y dibuje en su cuaderno de laboratorio la forma esperada de las curvas caracterı́sticas de salida de los transistores a usar en el experimento.
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6. ¿Qué significan los términos emisor común, colector común, base común en el contexto
de los circuitos con transistores bipolares, y los términos surtidor común, drenador común
y puerta común en el contexto de los transistores FET (o MOSFET)?
7. ¿Cuáles son los parámetros importantes de la caracterı́stica de salida (colector-emisor)
de un transistor en emisor común?
8. Obtenga de las hojas de datos de los transistores a usar, la distribución de patillas.
9. Investigue el funcionamiento de los transistores BJT, FET y MOSFET. ¿En qué se
diferencian los transistores BJT, los MOSFET y los JFET?
10. ¿Qué tipos de transistores FET existen? Investigue la forma de las curvas caracterı́sticas
tı́picas para ellos. ¿Qué curvas espera observar usted en este laboratorio?
11. ¿Cómo se puede medir la resistencia dinámica y la resistencia estática del diodo baseemisor?
12. Investigue qué son los parámetros IDSS , tensión de estrechamiento UT R = UP =
UGS(OF F ) , tensión de ruptura BUGSS , transconductancia del dispositivo gm = gf s y
resistencia de drenaje-fuente rDS(ON ) .
13. ¿Qué condiciones deben cumplirse para que un FET trabaje como resistencia controlable
por tensión?
14. Investigue como utilizar el trazador de curvas para medir las curvas caracterı́sticas de
los FET utilizados en el laboratorio.
15. Desarrolle un circuito para obtener las curvas de salida
ID = f (UDS )|UGS =cte
para transistores MOSFET de enriquecimiento canal N y P, con cero error de tensión.
Limite los valores absolutos de tensión de puerta a 5 V y de drenador-surtidor a 10 V.
Tome en cuenta las polaridades adecuadas para cada circuito.
16. ¿En cuál cuadrante del ORC aparecerán las curvas caracterı́sticas de salida, según su
circuito de medición para los MOSFET canal N y canal P?
En la parte II de este experimento usted debe utilizar la experiencia generada en la parte
I (curvas caracterı́sticas de BJT) para dimensionar y configurar parcialmente los circuitos a
utilizar en la obtención manual de las curvas caracterı́sticas y los parámetros de los FET.
Revise el procedimiento y complete el circuito de medición en la figura 2 de las maneras
solicitadas para extraer los diferentes datos. Note que los valores de RD y RS pueden ser
cero, dependiendo de lo que se deba medir. Simule los circuitos propuestos para verificar su
funcionamiento antes de asistir a la segunda sesión de laboratorio.
Nota: Estos circuitos deben ser discutidos con el profesor previamente a su montaje.
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IV
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V
Materiales y Equipo
Fuente CD
multı́metro
generador de funciones (sinusoidal, rectangular, triangular)
ORC
Trazador de curvas KI3020A
Placa de montaje experimental AC-90001 o similar (“protoboard”)
Transistor 2N3904/KN3904 o equivalente
Transistor JFET NTE132, NTE312, 2SK30ATM (K30A), o equivalente
Circuito integrado CMOS CD4007
Diodo rectificador de silicio 1N4001 o equivalente
Resistencias de 1/4 W de 100 Ω, 10 kΩ y 100 kΩ
Resistencias determinadas por el estudiante
Alambre aislado 26/24AWG, alicates de punta, cortadora de cable
Cables con terminales de banana
Enchufe aislador de tierras (tapón aislador o cable sin pata de tierra)
Hojas para oscilogramas
Procedimiento
Es importante antes de comenzar que:
• mida y anote el valor real de las resistencias empleadas,
• verifique la condición de los diodos a emplear,
• aisle la tierra del osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra del generador.
Confirme con una medición de continuidad usando el multı́metro.
Parte Ia Obtención manual de las curvas de transistores bipolares (BJT)
Familia de curvas caracterı́sticas de salida del BJT en configuración de emisor común.
IC = f (UCE )|IB =cte
1. Monte, en la placa experimental, el circuito de medición de la figura 1. Use acople de
CD en el ORC en conexión como trazador X-Y. Use el multı́metro para las mediciones
de CD.
2. Ajuste la frecuencia del generador a 60 Hz y la amplitud a 5 V en onda sinusoidal o
triangular. Verifique la polaridad del diodo.
3. Ajuste la tensión de la fuente para obtener una corriente de base que lleve al transistor
a su zona de saturación y otra que lo lleve a su zona de corte. Mida y grafique la
curva caracterı́stica de salida (colector-emisor) en emisor común para estas corrientes y
también para dos corrientes intermedias.
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D1
X
RB = 10 kΩ
Q1
NPN
Generador
60 Hz
5 Vp
Fuente CD
RM = 100 Ω
YIN V
Figura 1: Circuito de medición para la Parte Ia.
4. Aumente lentamente la tensión del generador y observe y anote los cambios en la curva
caracterı́stica de salida. ¿Qué fenómeno ocurre y a qué tensión comienza?
Parte Ib Obtención de las curvas del BJT de forma automática
1. Ajuste el trazador de curvas KI-3020A según la tabla 1.
Tabla 1: Ajustes del KI-3020A para la Parte Ib
Interruptor/Perilla
Ajuste/Valor
Selector de corriente de base
POLARITY
H-LENGTH
POWER
CURRENT LIMIT
Selector de tipo de transistor
Selector de tensión de barrido
SELECTOR
50 µA ó 100 µA (pruebe primero con 50 µA)
NPN
girada completamente en el sentido del reloj
ON
SIGNAL (Ri de medición para IC es de 100 Ω)
TRANS
5V
OFF
2. Ajuste el osciloscopio según la tabla 2.
Tabla 2: Ajustes del osciloscopio
Interruptor/Perilla
Ajuste/Valor
Sensibilidad canal X
Sensibilidad canal Y
Barrido horizontal
Ajustes de posición del trazo
0,5 V/cm
50 mV/cm
como trazador X-Y
Ajuste el origen de la gráfica X-Y en la esquina
inferior izquierda
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3. Con el interruptor SELECTOR en OFF, coloque el transistor en una de las bases A o B.
Asegúrese de que los terminales del transistor se conecten a las respectivas terminales
de la base.
4. Con el interruptor SELECTOR en A o B, depende de dónde colocó el transistor, mida y
grafique la familia de curvas caracterı́sticas de salida del transistor en emisor común.
5. Mida la resistencia estática y dinámica del transistor con una corriente de base de 200 µA,
manteniendo constante la tensión colector-emisor UCE en 2 y 5 voltios.
Parte IIa Obtención de curvas de transistores FET de forma manual
1. Modifique el circuito de la figura 2 para medir IDSS . Considere que UDS no debe
sobrepasar 10 V, pero que debe ser suficientemente alta para asegurar que el FET entre
en la región de saturación.
D
RD
100 kΩ
B
RS
A
C
Figura 2: Circuito de Medición.
2. Modifique el circuito de la figura 2 para determinar la curva de transferencia del JFET
ID = f (UGS ). Debe asegurar que UDS sea constante. Utilice los datos del fabricante
para seleccionar un valor de tensión UDS que obligue al transistor a operar en saturación
(fuera de la región óhmica) para todo el rango de corrientes ID , y que UDS sea menor
a 10 V. Utilice al menos 8 puntos para trazar la curva, o una medición con el osciloscopio. Si decide utilizar una medición con el osciloscopio, dimensione la resistencia que
utilice como sensor de corriente para que el error en la tensión UDS no supere el 5%,
considerando que la corriente máxima serı́a IDSS .
3. Determine el valor de la tensión de estrangulamiento (o estrechamiento) UP .
4. Modifique ahora el circuito de la figura 2 para medir con el osciloscopio la curva caracterı́stica de drenador ID = f (UDS ) para un determinado valor de UGS . Asegúrese
de que la tensión UDS nunca sea negativa (utilice por ejemplo un circuito rectificador).
Divida el rango de tensiones UGS entre 0 V y UP para que contenga al menos 5 curvas.
Dimensione RD para permitir que el FET entre en saturación.
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Parte IIb Obtención de curvas de transistores FET de forma automática
1. Verifique los resultados de las caracterı́sticas de drenador de la parte IIa utilizando un
trazador de curvas.
Parte IIIa Obtención de curvas de transistores MOSFET manualmente
Nota: Para evitar que el experimento se torne demasiado largo, use el método de la parte IIIa
para un tipo de transistor MOSFET y el método de la parte IIIb para el otro tipo.
Familia de curvas caracterı́sticas de salida del MOSFET en configuración de surtidor común
ID = f (UDS )|UGS =cte
1. Monte, en la placa experimental, su circuito de medición. Use acople de CD en el
ORC en conexión como trazador X-Y. Use el multı́metro para las mediciones de CD
(promedios).
2. Ajuste la frecuencia del generador a 100 Hz y la amplitud a 5 V en onda triangular o
sinusoidal. Verifique la polaridad del diodo.
3. Ajuste los canales del osciloscopio para obtener una curva adecuada. La resistencia de
medición de corriente debe ser de 100 Ω.
4. Realice la medición de la caracterı́stica de salida para diferentes valores de tensión UGS .
Determine el valor de UT para cada tipo de transistor.
Parte IIIb Obtención de las curvas de transistores MOSFET de forma automática
1. Ajuste el trazador de curvas KI-3020A según la tabla 3.
Tabla 3: Ajustes del KI-3020A para Parte IIIb
Interruptor/Perilla
Ajuste/Valor
Selector de corriente de base
POLARITY
H-LENGTH
POWER
CURRENT LIMIT
Selector de tipo de transistor
externa
Canal N o P según el tipo de transistor MOS
girada completamente en el sentido del reloj
ON
SIGNAL (Ri de medición para ID es de 100 Ω)
FET (en realidad no importa, pues está usando
polarización externa)
5 V ó 10 V
OFF para insertar el transistor, luego A o B
Selector de tensión de barrido
SELECTOR
2. Conecte una fuente de alimentación externa de la polaridad adecuada para estimular la
puerta del MOSFET y ajústela para obtener las curvas de salida ID = f (UDS )|UGS =cte
una por una.
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3. Ajuste el osciloscopio para observar el trazo de manera adecuada en la pantalla ajustando
el selector en la posición A o B en la que conectó su FET.
VI
Evaluación
1. Determine con ayuda de las curvas obtenidas los siguientes parámetros del transistor
para el punto de operación (PO) IB = 200 µA y UCE = 2 V.
1.1. Resistencias estática y dinámica base-emisor:
RBE =
UBE
IB
y
rBE =
∆UBE
∆IB
1.2. Ganancias de corriente estática y dinámica de emisor común:
hF E (B) =
IC
IB
y
hf e (β) =
∆IC
∆IB
1.3. Resistencias estática y dinámica colector-emisor:
RCE =
UCE
IC
y
rCE =
∆UCE
∆IC
2. Investigue y explique la dependencia de los parámetros del transistor con respecto a la
temperatura.
3. Investigue y documente los modelos de representación del transistor bipolar para pequeña
señal en CA (parámetros hı́bridos); y para CD y gran señal (Ebers-Moll).
4. ¿A qué se debe el fenómeno observado en el punto 4 de la parte Ia.? ¿Por qué debe
evitarse esto en el trabajo normal de un transistor bipolar?
5. ¿Cómo se puede medir la tensión de saturación de colector-emisor UCEsat en las curvas
de salida de un transistor en emisor común?
6. ¿Cómo podrı́a medirse la familia de curvas caracterı́sticas de entrada (base-emisor) para
un transistor bipolar en conexión de emisor común con UCE =cte.? Dibuje el circuito
de medición.
7. Investigue que es la trasconductancia y como puede obtenerse a través de mediciones la
transconductancia estática y la transconductancia dinámica.
8. Compare la curva de transferencia experimental ID = f (UGS ) con la ecuación de Shockley.
9. Compare las curvas caracterı́sticas de drenador obtenidas con el trazador, sus mediciones
manuales y los datos del fabricante.
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10. Derive de las curvas caracterı́sticas de drenador la curva de transferencia y compárela
con las obtenidas directamente y con los datos del fabricante.
11. Respecto a la resistencia de entrada RGS del FET ¿A qué valor tiende esta resistencia
y por qué? Proponga un circuito de medición para medirla evitando que se produzcan
errores extremos.
12. Empleando las curvas de salida del FET describa un método para determinar su resistencia dinámica de salida rDS . Sea claro y especifique todos los pasos.
13. Una manera práctica de hallar la tensión de estrangulación en un JFET y sobre la curva
de transconductancia es determinar sobre la curva la tensión UGS para la cual la corriente
del drenador ha disminuido hasta un valor equivalente al 10% de su valor máximo. Esto
es cuando ID = 0,1IDSS . Compare este valor con el obtenido teóricamente en base a
los datos que brinda el fabricante respecto a IDSS y gm0 .
14. Respecto a la curva de salida: Separe la curva en dos zonas. Destaque la zona de
resistencia óhmica (UDS < UGSOF F ) y calcule aproximadamente el parámetro rDS .
Asuma un valor especı́fico del parámetro UGS . Para la zona no lineal calcule el valor de
rDS .
15. Trace sobre la curva de salida del FET la hipérbola de máxima disipación para el valor
de potencia drenador-surtidor indicado por el fabricante.
EIS/pam, 24 de agosto de 2006
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