AMPLIFICADOR DE TENSION CON MOSFET-D, BJT Y CONFIGURACION DARLINGTON

Byron Jair Rubio Julián Andrés Victoria

byron2114@hotmail.comandresis_92@hotmail.com

Universidad Autónoma De OccidenteSantiago de Cali, Colombia

Resumen— en este laboratorio realizamos un amplificador de potencia utilizando 4 condensadores 3 de acople y uno de desacople, trabajamos con la configuración de clase A. Este constaba de tres etapas, la primera etapa trabajaba con un MOSFET el cual tenía que ser de empobrecimiento y estar trabajando en la zona activa , ya que su comportamiento es muy parecido al de un JFET es un transistor de efecto de campo el cual es controlado en voltajes en Gate el cual su corriente de Drain es controlada por el voltaje entre Drain, para poder trabajar en activa el voltaje drain-sourse debe ser mayor al Vth , el Vth es el voltaje en el cual el MOSFET comienza a conducir entre drain y source . La segunda etapa trabajaba con un BJT la el cual mostraba la señal de salida amplificada y este también trabajaba en su punto Q óptimo.

La tercera etapa es una configuración Darlington. la cual amplifica la corriente y el voltaje pico a pico es el mismo que la salida del segunda etapa ya que este funciona como un seguidor al salir por emisor.

Índice de Términos—

Condensadores.

Configuración de divisor de tensión.

MOSFET.

Punto Q óptimo.

Voltaje V GS, Voltaje V DD, corriente I D, corriente I DSS.

BJT.

Configuración Darlington.

I. INTRODUCCIÓN

Transistor de Efecto de Campo

Definición.

Existen dos tipos de MOSFET el de empobrecimiento y el de enriquecimiento, estos dos tipos definen el modo de operación, mientras que el nombre MOSFET significa transistor de efecto de campo. Debido a que existen diferencias en las características y en la operación de cada tipo de MOSFET, se realizaran en secciones por separado. Existe el MOSFET de tipo decremento, el cual resulta tener características similares a las de un JFET entre el corte y la saturación para Idss, pero tienen el rasgo adicional de características que se extienden hacia la región de polaridad opuesta para Vgs.

Un MOSFET de empobrecimiento con una tensión de puerta negativa. La alimentación VDD obliga a los electrones libres a circular desde la fuente hacia el drenador. Estos circulan por el canal estrecho a la izquierda del substrato p. Como sucede con el JET, la tensión de puerta controla el ancho del canal.

Cuanto más negativa sea la tensión de los MOSFET puerta, menor será la corriente de drenador. Cuando la tensión de puerta es de empobrecimiento. Lo suficientemente negativa, la corriente de drenador se interrumpe. En consecuencia, el funcionamiento de un MOSFET es similar al de un JET cuando Vgs es negativa

Empezamos con un análisis de la curva de tras conductancia de un MOSTFET.

- http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/ Tutorial_General/MOSFET.html

Se debe observar cómo en esta curva aparecen tanto tensiones negativas de VGS (trabajo en modo de empobrecimiento), como positivas (trabajo en modo de enriquecimiento). La corriente más elevada se consigue con la tensión más positiva de VGS y el corte se consigue con tensión negativa de VGS(off).

De esta familia de curvas se puede obtener la curva de tras conductancia, que nos indica la relación que existe entre VGS y ID. Ésta posee la forma que se muestra en la siguiente curva abajo a la derecha:

Configuración Darlington

Tiene una Conexión de dos transistores BJT conectados en cascada del emisor del primero sale a la base del segundo transistor. El segundo transistor tiene salida por el emisor asía la carga. Los dos transistores al estar conectados en cascada funcionan como un solo transistor con un beta mayor ya que este es igual producto del beta del primero por el segundo.

Ilustración 1-Curva de tras conductancia

http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/MOSFET.html

Obsérvese cómo esta curva aparece dibujada en los dos cuadrantes del eje de tensiones. Esto es debido a que el MOSFET puede operar tanto con tensiones positivas como negativas. Por esta razón, la corriente IDSS, correspondiente a la intersección de la curva con el eje ID, ya no es la de saturación.

Como ocurría con el JFET, esta curva de tras conductancia es parabólica y la ecuación que la define es también:

Según se puede apreciar en la curva de tras conductancia de un MOSFET, este tipo de transistor es muy fácil de polarizar, ya que se puede escoger el punto correspondiente a VGS=0, ID=IDSS. Cuando éste queda polarizado así, el transistor queda siempre en conducción o, normalmente, encendido.

ANALISIS Y RESULTADOS

Análisis DC primera etapa

V(th)=3V

Vds=0,66V

Id=4,1mA

Vs=I D RS

V s=(4,1 mA )∗(356 Ω)

V S=1,46 V

V GS=V G−V S

V G=V GS+V S

V G=0.56 V +1,46 V

V G=2,02V

V G=R2

R1+R2

(V DD)

V G

V DD

=R2

R1+R2

V G

V DD

R1+V G

V DD

R2=R2

V G

V DD

R1=R2−V G

V DD

R2

R2=R1

V G

V DD

1−V G

V DD

R2=3,3 M

2,0225

1−2,0225

R2=290,02 k

VDD-VRD-VDS-VRS=0

VDS= VDD-VRD -VRS

VDS=0,66V

VG=3,74V

VGS=0,56V

VDS=0,66V

ID=4,01mA

R2=985KΩ

RS=356Ω

R1=3,3MΩ

RD=3,3KΩ

VDD=25V

Análisis Segunda etapa DC

BJT

R3=10KΩ

R4=1,436KΩ

RC=2KΩ

RE(1)=487Ω

Punto Q optimo

(VCE,IC)

(12,5V, 5,025mA)

VE=IE*RE

VE=(5,025mA)(487)

VE=2,447V

V BB−V BE−V E=0

V BB=V BE+V E

V BB=0,7+2,447

V BB=3,14 V

V C=V CC−I C RC

V C=25−(5,025 mA)(2K )

V C=14,95V

β= IcIb

β=4,97 mA37 µA

β=134,32

V BB=R4

R3+R4

V CC

V BB

V CC

=R4

R3+R4

R4=

V BB

V CC

R3

(1−V BB

V CC

)

R4=

3,13V25V

10k

(1−3,14V25 V

)

R4=1,437KΩ

Análisis tercera etapa DC

BJT DARLINGTON

R5=43KΩ

R6=48,024KΩ

RL=40Ω

RE(2)=90Ω

Punto Q optimo

(VCE,IC)

(12,5V, 451mA)

VE=IE*(RE(2)||RL)

VE=(451mA)(90||40)

VE=12,5V

V BB−V BE−V E=0

V BB=V BE+V E

V BB=0,7+12,5

V BB=13,19 V

β= IcIb

β= 0,3 A91 µA

β=3296,7

V BB=R5

R5+R6

V CC

V BB

V CC

=R6

R5+R6

R6=

V BB

V CC

R5

(1−V BB

V CC

)

R6=

13,19V25V

43 k

(1−13,19V

25V)

R6=48,024KΩ

Analisis en AC

gmo=grs=100ms

gos=0,5mS

rd= 1gos

rd= 1gos

rd= 10,5 mS

gm=gmo(1−V gs 0

V p

)

gm=100 ms(1−0,562,1

)

gm=73,33 ms

r´ e (1)= 25 mV4,97 mA

r´ e=5,03 Ω

β=134,32

βr ´ e=675,65

RTh ( 1)=( RG1∥RG 2)+Rg

RTh ( 1)=(3,3 M ∥985 K )+50

RTh ( 1)=758.626 K

RTh ( 2)=( rd ∥RD )+¿

RTh ( 2)=(2 K ∥3,3 K )+((10 K ∥1,368 K ¿+675,65 ))

RTh ( 2)=3,124 KΩ

RTh ( 3)=¿

RTh ( 3)=¿386,76Ω

RTh ( 4 )=¿

RTh ( 4 )=¿2,99kΩ

Zout (3)=27,66Ω

C1=1

2 Π (300)(0,1)(758.626 k )

C1=6.99 nF

C2=1

2 Π (300)(0,1)(3.124 k )

C2=1.69 µF

C3=1

2Π (300)(0,1)(386.76)

C3=13,71µF

C4=1

2 Π (300)(0,1)(2.299 k )

C4=2,31 µF

Z¿(etapa 2)=¿

Zout(etapa1)=(rd||RD||Z¿(etapa2 ))

Z¿(etapa 3)=((( ℜ2∥RL )+( βr ´ e (2 ) ))||R 5||R 6)

ZOUT (etapa3 )=(( (R 5∨¿ R 6 )+( βr ´ e (2 ) ) )∨¿ ℜ2∥RL)

GANANCIA ETAPA1

AV 1=gm∗Vgs∗(Zout (etapa1))

Vgs

AV 1=gm∗(Zout (etapa 1))

AV 1=23,54

GANANCIA ETAPA 2

AV 2=(R(C 1)∨¿Zout (etapa 2))

β (1 )∗ré (1)

AV 2=¿50,8

GANANCIA ETAPA 3

AV 2=Zout (etapa 3)

Zout (etapa 3)

AV 2=¿1

Simulación de la señales

Ilustración 2-Señal de entrada mosfet y señal de salida mosfet

Como se puede observar en la ilustración 2, hay 2 señales. La de color amarillo es la de entrada, la cual tiene un voltaje pico a pico de entrada de 1 V y la otra señal de color azul es el voltaje pico a pico de salida de 1.6V por lo cual se puede calcular la ganancia de la primer etapa

Av (etapa 1 )=1.7 V1V

=1.7

Ilustración 3-señal de entrada BJT y señal de salida BJT

Como se puede observar en la ilustración 3, hay 2 señales. La de color azul es la de entrada la cual tiene un voltaje pico a pico de entrada de 60mV y la otra señal de color rojo, es voltaje pico a pico de salida de 4.3V por lo cual, se puede calcular la ganancia de la segunda etapa

Av (etapa 2 )= 1 6 V1.6 V

=10

Ilustración 4-señal de entrada Darlington y señal de salida Darlington

Como se puede observar en la ilustración 4, hay 2 señales. La de color azul es la de entrada la cual tiene un voltaje pico a pico de entrada de 16V y la otra señal de color rojo, es voltaje pico a pico de salida de 16V por lo cual, se puede calcular la ganancia de la tercera etapa

Av (etapa 3 )=16 V16 V

=1

Tabla de comparación de valores

Datos simulación cálculos ExperimentalVDS 16.31V 10,01V 0,66VVG 3,9V 2,01v 3,74VID 1,39mA 4,1mA 4,1mAVCE 13,1V 12,5V 12,56VIC 4,1mA 5,025mA 4,97mA

VB 2,71V 3,14V 3 V

CONCLUSIONES

En el laboratorio se puedo comprobar la efectividad de los métodos utilizado para ubicar el punto Q los cuales fueron gráficamente y teóricamente gracias a las gráficas que nos proporciona el fabricante

En el laboratorio se cambió la configuración de auto polarización por la divisor de tensión ya que esta me permite garantizar el punto de trabajo optimo del transistor MOSFET, permitiendo manipular el

V GS para lograr controlar el voltaje de entrada

permitiendo de esta forma poner a trabajar nuestro MOSFET siempre y cuando este voltaje sea mayor al

V th

El transistor MOSFET me permite garantizar una alta impedancia de entrada para mi primera etapa de amplificación evitando ruidos y distorsiones.

Para nuestra primer etapa de amplificación con MOSFET, debemos tener en cuenta que este tipo de

transistor es muy susceptible a cambios en V D, esto

se hace variando su resistencia RD la cual permite

controlar la corriente I D, permitiendo obtener una

señal mayor o menor a la salida de la primer etapa. Cuando se trabaja con MOSFET en amplificación en cascada como primer etapa, se debe amplificar poco la señal de entrada ya que al momento de introducir esta señal a la segunda etapa de amplificación, mi transistor BJT se saturara fácilmente lo cual no es conveniente ya que a la salida del BJT su señal estará muy distorsionada y con una buena ganancia, sin embargo la idea es obtener una buena amplificación pero garantizando que esta no presente distorsión o esta sea muy leve.

Para garantizar una buena señal, debemos ir variando

los valores de RE la cual nos permite controlar la

corriente I E y a medida que esta aumente o

disminuya así mismo será su V E y así mismo será la

señal de salida, además debemos tener en cuenta que para la segunda etapa se debe elegir un capacitor de desacople, que garantice que desacople la señal de emisor pero hasta un punto en el que el voltaje de salida sea lo suficiente en amplificación y además no

presente distorsión o esta sea muy leve, de este capacitor depende la calidad en la señal de salida

Si observamos bien lo valores de los voltaje de entrada y salida de ambas etapa nos damos cuenta que para la primer etapa el voltaje de salida difiere del de entrada en tan solo 1,2V, esto se hace con el fin de garantiza una buena señal que no sea tan grande al momento de ser introducida a la segunda etapa, de esta forma yo garantizo que no saturare mi BJT y que mi señal de salida del BJT será buena y con poca distorsión

Por otro lado, logramos observar que ya en la polarización de divisor de voltaje para MOSFET-D, no usamos un condensador de desacople y esto es debido a que ya esta señal se hace inmune a cambios brusco en su entrada y su alta impedancia y además el

hecho de ser controlados por voltajes en V G me

permite una mayor estabilidad de mi punto Q, permitiéndome trabajar en la zona activa con gran facilidad

Por otro lado logramos concluir que los transistores MOSFET-D (empobrecimiento) presentan igual comportamiento que un JFET, permitiendo trabajarlos en zona activa y logrando una amplificación mucho más estable y un punto Q poco variable. A diferencia del JFET el MOSFET es un transistor efecto de campo con compuerta aislada, por otro lado este transistor a diferencia del JFET el cual

permite obtener su máxima corriente I Dss cuando su

V GS=0, mientras que el MOSFET además de que

los de canal-P son controlados por voltajes V GS

negativos y los canal-N por V GS positivos, su

corriente máxima I DSS se obtiene en un punto donde

al variar su V GS=V GS(on)

Se concluye que la configuración Darlington se usa como un seguidor de emisor, esto se hace con el fin de garantizar una señal amplificada en voltaje que es igual tanto en su entrada como en la salida del Darlington y cuando se introduce en el Darlington, obtenemos una amplificación de corriente suficiente para amplificar 1 W de potencia con el fin de lograr el objetivo inicial de la práctica. En la primer etapa entra una señal de 1V ppk y a su salida obtenemos una señal de 18Vppk con una corriente de aproximadamente de 350mA, ya que el beta de en esta configuración es de 3296.7, logrando una buena amplificación de señal.

Para lograr obtener una buena amplificación no es necesario usar un condensador de desacople entre RE(2) y RL, esto se hace con el fin de obtener realmente la señal completa a la salida.

BIBLIOGRAFIA

[1] www.datasheetcatalog.net[2] www.profesormolina.com.ar[3]http://www.parl.clemson.edu/~wjones/371/chips/index.html

[4] MALVINO, Albert Paul. Principios de Electrónica. Sexta edición. Madrid: McGraw-Hill/Interamericana de España, S. A. U, 2000.

[5] BOYLESTAD, Robert L. NASHELSKY, Louis. Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónico

Ilustración 5-señales amplificadas de todas las etapas