Polarización de transistores y estabilidad
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Polarización de transistores y estabilidad
1 Polarización de transistores y estabilidad R. Carrillo, J.I. Huircan Abstract— Se tienen tres formas básicas para la polarización de un BJT y un FET: polarización …ja, autopolarización y polarizacion universal. Esto permite establecer el punto de traba jo o punto Q. Dado este punto, es posible diseñar. Para un circuito de…nido, es posible obtener el punto de operacion. El punto Q puede variar por diversos factores, sobre todo térmico, lo que afecta ICO , VBE y el parámetro : Se de…ne los factores de estabilidad, S I , S v y S que dan cuenta de la variación de ICQ en base a los parámetros mencionados. Index Terms— Polarización de Transistores I. Introduction ¿Cuales son los valores más adecuados de corriente y voltaje para que el transistor trabaje correctamente en zona activa? Existe un único punto presente en las características de entrada y salida denominado punto Q (Quiscent Point), punto de trabajo o punto de reposo, el cual corresponde al punto de operación del circuito electrónico. Para ubicarlo se debe tener en cuenta el comportamiento estático del transistor (sin la presencia de señales de entrada o excitaciones). Si se conoce el punto Q, entonces se puede diseñar. Si se conoce el circuito, se puede determinar el punto Q. El punto Q puede estar en la región de corte, saturación o región activa. En los siguientes apartados se indican las diversas formas de polarizar tanto un el BJT como un FET, estableciendo los puntos de trabajo y condiciones de diseño. Finalmente, se análiza la estabilidad del punto Q y la forma básica de compensar variaciones de éste, debido a efectos térmicos. II. Circuitos de polarización y punto de trabajo A. Circuitos de Polarización …ja para BJT Sea el circuito de la Fig. 1. RC + RB + V BB i B + vBE _ iC [mA] IB 3 VCC R C I BQ I V BEQ IB 2 IB 1 CQ vBE V CEQ V CC v CE [Volts] Fig. 2. (a) Curva de entrada. (b) Curva de salida. Así, la recta de carga asociada a la malla de entrada estará dada por (2), la cual se muestra en la Fig. 2a: vBE VBB + (2) RB RB La intersección con la curva iB vBE de…ne el valor de operación de la corriente de base. Planteando la malla de salida se tiene iB = VCC = iC RC + vCE (3) Luego la recta de carga estará dada por (4), la cual se se muestra para un punto Q dado en la Fig. 2b. iC = VCC vCE + RC RC (4) La intersección de (4) con las curvas de salida de…nen los posibles puntos de operación. Finalmente, para un punto Q de…nido por (ICQ , VCEQ ) y un voltaje de polarización continuo VCC dado, se determinan los valores de RB y RC . La desventaja es que mientras mayor VBB entonces mayor IBQ producido, luego el transistor puede entrar en la zona de saturación. Si el voltaje VBB es pequeño y cercano o menor a vBE = VBE(ON ) , el transistor podría estar en corte. B. Circuito de polarización …ja para JFET Sea el circuito de la Fig. 3. iC vCE _ iB + VCC RD RG Fig. 1. Circuito de polarización Fija. VGG iG iD vDS VDD vGS Planteando la LVK para la malla de entrada Fig. 3. Circuito de Polarización …ja para el FET. VBB = iB RB + vBE (1) Universidad de La Frontera. Documento preparado para la asignatura de Circuitos Electrónicos I. Ver.2.6-2015. Para la malla de entrada, dado que iG = 0 (la unión compuerta-fuente se encuentra inversamente polarizada), 2 Planteando la LVK para la malla de entrada VGG = iG RG + vGS vGS = VGG VDD vDS + RD RD iD = (6) De acuerdo a la ecuación de Schockley iD = IDSS 1 vGS Vp iB = vBE 1 1 + VCC RB RB 2 (7) VCC = iC RC + vCE VDD RD (11) Si RB es grande, VRBE es despreciable, así iB VCC R1B : B ; Luego, para un punto Q dado, se tiene que ICQ = VRCC B despejando VCEQ VCEQ = VCC i D ICQ RC = VCC RC RB 1 (12) D. Circuito de autopolarización para JFET IDSS La autopolarización permite mediante un resistor en la fuente, energizar el dispositivo. Este esquema se muestra en la Fig. 6. Planteando la LVK en la malla de entrada se tiene v GS = 0 1 vGS = - V IDQ GG 2 vGS 3 v DS VDD VDSQ vGSQ RD iD Fig. 4. Punto de trabajo del JFET. RG Para un punto Q dado (IDSQ ; VDSQ ), se determina RD de (6), como RD = (10) Para la malla de salida se tiene Donde Vp es la tensión de estrangulación del canal, también llamado VGS(OF F ) e IDSS la corriente de saturación máxima, datos provistos por el fabricante. La Fig. 4 muestra por un lado la curvas de salida iD vDS , y en el otro lado la relación iD vGS dada por la ecuación de Schockley. -Vp (9) Luego Para la malla de salida v GS VCC = iB RB + vBE (5) VDD VDSQ IDQ iG vDS VDD vGS RS (8) Fig. 6. Circuito de autopolarización para el JFET. De (7), se determina vGS , luego de (5) se obtiene VGG , con lo que el diseño que de…nido. C. Circuito de Autopolarización para BJT iG RG + vGS + RS iD = 0 Sea el circuito de la Fig. 5 iD = +V CC RB RC RC iC + RB + V CC i B + vBE _ vCE _ + VCC VDD = vDS + (RD + RS )iD iD = Fig. 5. Circuito de autopolarización. (15) Así la recta de carga de la salida será iB (a ) (14) Por otro lado, para la malla de salida iC Vcc (13) vGS RS (b) VDD (RD + RS ) vDS (RD + RS ) (16) Para un punto Q, (IDQ ; VDSQ ) de (16), se obtiene RD + RS : Usando la relación (7), se obtiene vGS y luego RS : POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES Y ESTABILIDAD 3 ID IDSS _ Vp VT H VBEQ RT H + ( + 1) RE (24) Si VT H >> VBEQ ; y RT H es pequeño, entonces el punto Q es independiente del transistor, ya que VCEQ = VCC 1 RS IDQ vGSQ vGS (RE ( + 1) + RC ) Fig. 7. Intersección ecuación de Schockley y la malla de entrada. VCEQ +VCC +VCC R TH RC R1 Como R2 RE R2 R1+ R2 VCEQ Q V TH +VCC VT H ( + 1) RE (RE ( + 1) + RC ) (25) >> 1, entonces RC R1 R2 Q VCC VCC RE + RC RE VT H = VCC 1+ RC RE VT H (26) + RE F. Circuito de polarización universal del MOSFET de emprobrecimiento Sea el circuito de la Fig. 9, donde (b) (a) Fig. 8. (a) Circuito de polarización universal. (b) Equivalente. E. Circuito de polarización universal para BJT En los circuitos Fig 1 y Fig. 5, RB debe soportar toda la corriente, incluso mientras mayor es la polarización, mayor será la corriente pudiendo llegar a salirse de la zona activa. Para evitar ésto, se propone el circuito de la Fig. 8. Para la malla de entrada se tiene VT H = iB RT H + VBE(ON ) + iE RE (17) R2 R 1 + R2 R1 R2 = R1 + R 2 VT H = VDD (27) RT H (28) VDD R1 R RD VT H RT H R2 RT H = VCC = VCC R 1 + R2 R1 R1 R2 = R1 jjR2 = R 1 + R2 (18) fRE ( + 1) + RT H g iB VBE(ON ) RS V TH iB = IBQ (20) Como iE = +1 (21) Luego, para iB = IBQ , despejando VCEQ iG RS VT H = vGS + RS iD 1 VT H vGS + RS RS (22) (23) (29) (30) Para la malla de salida VDS = VDD iC ; reemplazando en (22), se tiene VCC = VCE + (RE ( + 1) + RC ) iB + Para la malla de entrada, dado que iG = 0, se tiene iD = Para la malla de salida VCC = VCE + RE iE + RC iC + Fig. 9. Circuito de polarización universal para MOSFET canal n. Así VT H VBE(ON ) = RT H + ( + 1) RE D V DD (19) Dado que iE = iB + iC e iC = iB , entonces se tiene VT H = i R TH Donde R2 D (RS + RD )iD (31) Como este transistor también usa la relación de Shockley para de…nir la corriente iD , para un circuito dado, es posible trazar una recta de carga para la malla de entrada, la cual establece el punto Q, de acuerdo a la Fig. 10. Por otro lado, para un punto Q dado, más VDD , VT H o RT H , se obtiene el diseño. 4 Para la malla de salida se tiene ID IDSS 10 [V ] = iC 470 [ ] + vCE + iE 220 [ ] Q1 (35) Como iC = iB ; e iE = iB + iC Q2 2:5 [V ] Vp 0:7[V ] = iC V TH2 V TH1 750 [ ] 101 + 220 [ ] 100 100 (36) Así iC = 7:84 [mA] = ICQ y vCE = 4:57 [V ] = VCEQ : Fig. 10. Rectas de carga para distintos puntos Q. IV. Análisis de estabilidad de la polarización y compensación térmica III. Determinación del punto de trabajo A. Inestabilidad del Punto de Trabajo Example 1: Sea el circuito de autopolarización del JFET de la Fig. 11. Considerando Vp = 4 [V ], IDSS = 5 [mA], considerando VDD = 12 [V ], determinar iD , vDS y vGS . RD ID ID [mA] 2.2K RG 5 _ VDD =12[V] 1 470 IG RS IDQ 470 -4 vGSQ El punto Q es crítico en un BJT y debe mantenerse …jo. Sin embargo, un cambio del elemento activo o variación en las condiciones ambientales (variaciones de la temperatura) producirán un desplazamiento del punto de operación. Las variables afectadas son la corriente de saturación inversa, ICO (también llamada corriente de fuga ó ICBO ), el voltaje VBE y la ganancia de corriente . En la tabla I, se muestran los parámetros típicos de un BJT y su variación respecto de la To . vGS TABLE I Parametros tipicos de un BJT de Silicio. Fig. 11. Análisis de circuito autopolarizado. De la ecuación en la malla de entrada se tiene vGS iD = 470 [ ] T [o C] 65 25 100 175 (32) Luego, usando la ecuación de de Schockley iD = 5 [mA] 1 vGS 4 [V ] 2 (33) Resolviendo el sistema de ecuaciones vGS = 1:17 [V ] = VGSQ e iD = 2:5 [mA] = IDSQ , por lo tanto de (15) se determina vDS = 12 2:5 [mA] (2:2 [K ] + 470 [ ]) = 5:33 [V ] = VDSQ : Example 2: Para el circuito de polarización universal de la Fig. 12a, determine el punto Q. 10[V] 3k Ω 10[V] 20 50 80 120 VBE [V ] 0:85 0:65 0:48 0:3 Para un BJT, al aumentar la T o , se produce un aumento en la corriente de colector IC y , lo que implica un corrimiento del punto de operación. Esto producirá un aumento en ICO , la que se puede duplicar cada 10o de aumento de T o . Así, la corriente de colector se expresa como ICQ = f (VBE ; ICO ; ; :::) (37) Luego la variación de la corriente de reposo será será ICQ = 470Ω 470Ω ICO [nA] 0:2 10 3 0:1 20 3:3 103 @ICQ @ICO ICO + @ICQ @VBE VBE + @ICQ @ + ::: (38) Para medir la variación del punto de reposo se de…nen los factores de estabilidad. 750Ω β =100 + @ICQ @ICO @I SV = @VCQ BE 2. 5[V] 1kΩ 220 Ω (a) SI = 220 Ω S = (b) La variación total de la IC en torno a Q estará dada por Fig. 12. (a) Circuito Polarizado. (b) Equivalente. Example 3: Planteando la LVK en la malla de entrada en el circuito de la Fig. 12b. 2:5 [V ] = iB 750 [ ] + vBE + iE 220 [ ] @ICQ @ : Factor de estabilidad de la corriente ICO : Factor de estabilidad del voltaje (respecto de VBE ) : Factor de estabilidad de (34) ICQ = SI ICO + Sv VBE + S + ::: (39) Un circuito será estable cuando su factor de estabilidad sea pequeño, por lo cual, el punto de Q no debería variar. POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES Y ESTABILIDAD 5 B. Factor de estabilidad SI El factor SI , es uno de los más recurrentes, este depende de la corriente ICO . Dicha corriente entre colector y base se modela como se indica en la Fig. 13. SI = Para I co ( + 1) (RB + RE ) RB + RE @ICQ = = B @Ico ( + 1) RE + RB RE + ( R+1) >> 1; se tiene Ic , Ic IB (46) SI 1+ RB RE (47) El factor de estabilidad es independiente de : C. Valores de los factores de estabilidad Fig. 13. Modelación de la corriente ICO : Planteando la ecuaciones de Kirchho¤, se tiene 0 ICQ = ICO + ICQ 0 Pero ICQ = (40) (IBQ + ICO ), así ICQ = IBQ + ( + 1) ICO Considerando que SI está dado por (46), se puede establecer que si RE ! 0; el factor tiende a + 1, lo cual hace que sea grande. Si RE 6= 0, se tiene que el factor de estabilidad disminuye. El valor mínimo ocurre cuando RB < RE , será el mejor valor de estabilidad, pero la polarización no es la adecuada. SI (41) β +1 B.1 Factor SI para el circuito de Autopolarización Sea el circuito de la Fig. VBE(ON ) ; entonces, RB 5a, dado que IBQ = 2 VCC 1 1 ICQ = VCC VBE(ON ) RB + ( + 1) ICO (42) El factor SI estará dado por SI = @ICQ @Ico +1 (43) El factor de estabilidad depende de muy grande, S también lo será. ; luego, si éste es B.2 Factor SI para el circuito de Polarización Universal Sea el circuito de la Fig. 8a, dada la ecuación (17), se determina la corriente de colector en el punto Q, considerando ICO de la ecuacion (41) y además VBB = VT H y RB = RT H . RB RE β +1 Fig. 14. Variación de SI respecto de RB RE : Por lo tanto, existe un compromiso entre el factor de estabilidad y la polarización. La consideración RB 0:1 RE B 0:1 ; establece una relación entre los resistores ó R RE menor al 10% de ; lo cual permite un factor más pequeño de estabilidad. Respecto a los valores del factor de estabilidad, se puede estimar que un valor de SI 5; trae como consecuencia una variación del punto Q menor al 5%. D. Técnicas de compensación ante variaciones de la To Sea el circuito de la Fig. 15, se analizará la variación de la IC bajo la in‡uencia de la To ambiente. VCC VBB VBE = IBQ RB + ( + 1) (IBQ + ICO ) RE (44) = IBQ (RB + ( + 1) RE ) + ( + 1) ICO RE V RC R1 CC RC R1 Q + Reeemplazando IBQ en función de ICO , despejando ICQ R2 (VBB VBE ) + RB + ( + 1) RE ( + 1) ICO RE + ( + 1) ICO (RB + ( + 1) RE ) RB + ( + 1) RE (VBB VBE ) + ( + 1) ICO [RB + RE ] = (45) Fig. 15. RB + ( + 1) RE D V CC D RE RE R 2 ICQ = Luego, derivando respecto de ICO + Vy (a) (b) (a) Circuito con diodo compensador. (b) Equivelente. Determinando el VT H , se tiene 6 VI. Condiciones adicionales para diseño en el punto Q VCC R2 + V R1 R1 + R2 VT H VBE = RT H + ( + 1)RE VT H = (48) IBQ (49) Como ICQ = entonces IBQ , y considerando que R1 >> R2 ; A. Valor de El diseño de la red de polarización se simpli…ca considerando que IC IE ; dado que los valores de ; suelen ser superiores a 100. Así se tiene VCC = IC (RC + RE ) + VCE @ICQ 1 = @T o RT H + ( + 1)RE 1 RT H + ( + 1)RE R1 dV R1 + R2 dT o dV dVBE dT o dT o dVBE dT o (50) Luego, para atenuar el efecto de la variación del punto Q debido a la temperatura, deben ubicarse un diodo y un transistor con características térmicas similares. V. Diseño considerando el factor de estabilidad VT H = iB RT H + VBE(ON ) + iE RE 10 [mA] RT H + 0:7V + 10 [mA] 1:01RE (51) 100 Se puede suponer que sólo el 10% de la corriente proveniente del equivalente RB o RT H irá a la base, el otro 90% se derivará a R2 , así, la corriente en RB debe será por lo menos 10 veces más grande que la corriente en la base. Para lograr esto se establece que RB 0:1 RE ; lo que asegura mayor estabilidad en la polarización. Así, la corriente por R1 y R2 será IR1 = IR2 = Considerando la estabilidad VBE Como VT H = a VCC RT H ; R1 Haciendo IR1 entonces de (51) y (52) se llega VBE + RE IB (61) (62) IR2 y VBE es despreciable 10IB RB = RB = Sin embargo, falta una ecuación. Se podría dar un valor para RT H = 2 [K ], luego se tiene 1:01(666 [ ]) = 5:327 [K ] (60) (53) 3VCC RE = 0:3 [mA] RE + 0:7V + 10 [mA] 1:01RE(54) R1 6 [V ] = 6 [K ] = RC + 1:01RE (55) 10 [mA] RE = 666 [ ] RC = 6 [K ] (59) Considerando >> 1 y R1 >> R2 ; debido a que el voltaje VT H << VCC ; luego IR2 RB RT H 4 = 1+ RE RT H = 3RE VBE IE RE R1 + ( + 1) IB RE R2 IR2 R2 = VBE + ( + 1) IB RE R2 = VBE + ( + 1) IB RE 1+ R1 IR2 RB (52) VCC Si ha de pasar solo el 10% de dicha corriente hacia la base se tiene que IR1 = 10IB ; entonces Y para la malla de salida VCC = IC RC + VCEQ + IE RE 10 [V ] = 10 [mA] RC + 4V + 10 [mA] 1:01RE (58) B. Corriente de base 10% de la corrriente del divisor R1 R2 Sea el circuito de la Fig. 8. Para un punto de operación de ICQ = 10 [mA], VCEQ = 4 [V ] y VBE(ON ) = 0:7 [V ], dado VCC = 10 [V ] y SI = 4, diseñe. Para la malla de entrada se tiene = >> 1 (56) (57) De (18) se obtiene R1 = 2:62 [K ] ; luego de (19) se obtendrá R2 = 8:5 [K ] : RE IB RE 10 (63) Finalmente, si IR1 = IR2 = 10IB , se puede establecer que R1 = R2 = VCC VBE VBE IE RE 10IB + ( + 1) IB RE 10IB (64) (65) VII. Conclusiones Tanto el BJT como el FET tienen redes de polarización similares. Para determinar el punto Q, es necesario plantear la malla de salida y la malla de entrada en cada una de las con…guraciones. Para el JFET y el MOSFET POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES Y ESTABILIDAD de empobrecimiento, se usa la ecuación de Schockley, conociendo el Vp (VGSOF F ) e IDSS . Para establecer un punto de trabajo (diseño en corriente continua), se de…nen los valores de VCEQ e ICQ (IBQ ) para el caso del BJT y VDSQ e IDSQ (VGSQ ) para el JFET, pero pueden requerirse datos adicionales, tales como los voltajes disponibles para polarización y/o valores para los RT H o RB de las con…guraciones. La polarización del BJT puede ser afectada por variaciones térmicas, un elemento muy utilizado para diseño es el factor de estabilidad de la corriente, SI . References [1] Savant, C. Roden, M, Carpenter, G. 1992 Diseño Electrónico. Adisson-Wesley [2] Millman, J., Halkias, C. 1976. Electrónica Integrada. McGrawHill [3] Boylestad, R., Nashelsky, L. 1989. Electrónica: Teoría de Circuitos. Prentice-Hall. 7