INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA INGENIERÍA ELECTRÓNICA
MATERIA:
DISEÑO CON TRANSISTORES GRUPO:
6EM INVESTIGACIÓN:
AMPLIFICADORES BJT
ALUMNO:
CAHUM CABALLERO GASPAR ADRIÁN
PROFESOR:
ING. PEDRO ALEJANDRO CISNEROS ROSADO
FECHA: 11 DE FEBRERO DE 2015
AMPLIFICADORES CON BJT -
Operación Básica
El Transistor Bipolar de Unión (BJT) es un dispositivo que amplifica la intensidad de corriente. Se caracteriza porque la corriente de salida es controlada por la corriente de entrada y amplificada por el factor de amplificación ( β ).
El comportamiento de un BJT puede analizarse a través de sus curvas características, de forma similar a como se hace con el diodo de unión.
El BJT se comporta como un gran nodo en el cual se cumple la Ley de Kirchhoff de corrientes:
Corriente entrante=Corriente salient e
Corriente Emisor=Corriente de Base +Corriente de Colecto r
I E =I B+ I C
Sin embargo, la corriente de colector está formada por 2 componentes: Los portadores mayoritarios y los minoritarios. A la corriente minoritaria I se le denomina CO por lo que: I C =I Cmayoritaria + I CO -
Configuración Utilizadas y Características
Todos los transistores BJT, NPN y PNP, pueden polarizarse de manera que quede una terminal común en su circuito de polarización; es decir, un elemento que forma parte tanto del lazo de entrada como del lazo de salida. Éste puede ser cualquiera de las 3 terminales del dispositivo. Así entonces, se tiene 3 configuraciones:
Amplificador en Emisor Común La terminología de Emisor Común se deriva del hecho de que el emisor es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. El emisor se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida.
Para describir el comportamiento de la configuración Emisor Común, se requiere de dos conjuntos de características: Parámetros de Entrada y Parámetros de Salida. Parámetros de Entrada Se relaciona la corriente de entrada (IB) con el voltaje de entrada (VBE) para varios niveles de voltaje de salida (VCE).
Una vez que el transistor esta “encendido” se supondrá que el VBE es: V BE =0.7 V
Parámetros de Salida Se relaciona la corriente de salida (IC) con el voltaje de salida (VCE) para varios niveles de corriente de entrada (IB).
Región Activa La unión colector-emisor se polariza inversamente, mientras que la unión base-emisor se polariza directamente.
La corriente de emisor, que es la corriente de salida, está formada por la suma de la corriente de base y la de colector: I E =I B+ I C En la configuración Emisor Común, la relación siguiente que se usa también en la configuración Base Común: I C =α I E Región de Corte
Tanto la unión base-emisor como la unión colector-emisor de un transistor tienen polarización inversa.
En la región de corte la
IC
no es igual a cero cuando
IB
es cero.
Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión), el corte para la configuración Emisor Común se definirá mediante: I C =I CEO
I B=0 µA
Para La región por debajo de
I B=0 µA
debe evitarse si se requiere una señal
de salida sin distorsión.
Tanto la unión base-colector como la unión base-emisor de un transistor tienen polarización directa.
Cuando
V CE
IC
es 0.2V (Silicio) la
cae a
cero debido a que las uniones están en polarización directa, las corrientes se anulan. Un transistor está saturado cuando: I C =I E=I Maxima Características Generales •
Baja impedancia de entrada ( Z ¿ ), entre
700 Ω
y
1000 Ω . Un
poco más que la Base Común. •
Alta impedancia de salida (
Z OUT
), entre ( 50 k Ω ). Más baja que
la de Base Común. •
Alta ganancia de corriente entre
•
Alta ganancia de voltaje.
20
y
300
Amplificador Base Común La terminología de Base Común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. La base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida.
De igual manera que con la configuración Emisor Común, la configuración Base Común requiere dos conjuntos de características: Parámetros de Entrada y Parámetros de Salida. Parámetros de Entrada Se relaciona la corriente de entrada ( voltaje de entrada ( voltaje de salida (
V BE
V CB
IE
) con el
) para varios niveles de
).
Una vez que el transistor esta “encendido” se V BE supondrá que el es: V BE =0.7 V
Parámetros de Salida
Se relaciona la corriente de salida ( IC ) con el voltaje de salida ( V CB
) para varios niveles de
corriente de entrada (
IE
).
Región Activa La unión base-colector se polariza inversamente, mientras que la unión baseemisor se polariza directamente. La corriente de emisor, que es la corriente de entrada, está formada por la suma de la corriente de base y la de I =I + I colector ( E B C ). En una primera aproximación se puede decir que: IC ≈ I E Región de Corte
Tanto la unión base-colector como la unión base-emisor de un transistor tienen polarización inversa.
Un transistor está en corte cuando: I C =I E=0 A En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. Normalmente se presenta cuando la I =0 A corriente de base ¿ 0 A ( B )
Tanto la unión base-colector como la unión base-emisor de un transistor tienen polarización directa.
Un transistor está saturado cuando:
I C =I E=I Maxima En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es 0V . Características Generales •
Baja impedancia de entrada ( Z ¿ ), entre
•
Alta impedancia de salida (
•
Ganancia de corriente menor que 1 ( 0.90 – 0.998 ).
•
Alta ganancia de voltaje ( 50 – 300 ).
Z OUT
40 Ω
500 Ω .
y
), entre ( 15 k Ω
y
3 M Ω ).
Amplificador Colector Común La terminología de Colector Común se deriva del hecho de que el colector es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida.
De igual manera que con las configuraciones Emisor Común y Base Común, el Colector Común necesita los mismos conjuntos de características: Parámetros de Entrada y Parámetros de Salida. Parámetros de Entrada Se relaciona la corriente de entrada ( el voltaje de entrada (
V BE
IB
) con
) para varios
niveles de voltaje de salida (
V CE
).
Tiene misma gráfica que la configuración Emisor Común. Una vez que el transistor esta V BC es: “encendido” se supondrá que el Parámetros de Salida Se relaciona la corriente de salida ( IE V ) con el voltaje de salida ( CE ) para varios niveles de corriente de I entrada ( B ). Regiones de Operación Desde el punto de vista de diseño de un circuito con un transistor en la configuración colector común, se utilizan las características de emisor común. Teniendo en cuenta que debido a que
α =1 ;
I C =I E
, por tanto las
características en colector común serían casi idénticas a las de emisor común. Es por ello que, como se ha dicho anteriormente, para el diseño de circuitos de transistores en colector común, se utilizan las características de emisor común. Características de Colector Común Con este tipo de circuitos no vamos a conseguir una amplificación de tensión, pero son muy buenos amplificadores de la corriente y de ahí
viene su utilidad. Este circuito también se llama seguidor de emisor, nombre que le viene porque el emisor sigue a la base, lo que quiere decir que la tensión que le apliquemos a la base va a ser reproducida por el emisor.
Este tipo de circuitos tiene un comportamiento muy bueno frente a las variaciones de temperatura y es debido a que tiene conectada una RE resistencia, . El problema que puede tener este tipo de circuitos es que disipan mucha potencia. La característica más importante de esta configuración es que ofrece una "alta impedancia" (o resistencia) de entrada y una baja impedancia de salida. La corriente de entrada va a ser muy pequeña, mientras que la de salida puede llegar a ser muy grande. Características Generales
-
•
Alta impedancia de entrada ( Z ¿ ), entre
•
Baja impedancia de salida (
•
Alta ganancia de corriente definido por:
•
No amplifica voltaje, menos de la unidad.
20 k Ω
Z OUT ), entre
20 Ω
a a
50 k Ω . 1500 Ω .
β+ 1 .
Amplificación de etapa múltiple
Se llama amplificador multietapa a los circuitos o sistemas que tienen múltiples transistores y además pueden ser conectadas entre sí para mejorar sus respuestas tanto en ganancia,
Z¿ ,
Z OUT
o ancho de banda. Las
aplicaciones pueden ser tanto de CC como de CA.
Un amplificador ideal es aquel que guarda sus parámetros característicos constantes independientemente de los sistemas que le precedan o los sistemas que le sigan (carguen). En el esquema se muestran los distintos tipos de amplificadores ideales que se pueden obtener.
Un amplificador real, tiene una impedancia de entrada finita y una impedancia de salida no nula. Su esquema viene representado:
Un criterio universal al plantearse el diseño de un amplificador, consiste en, seleccionar la primera etapa de este como un pre-amplificador, es decir, como un amplificador que permita preparar adecuadamente la fuente de señal para ser posteriormente procesada y amplificada. Una segunda etapa, consistirá netamente en obtener amplificación de 0 las variables involucradas. En muchos casos, y con el fin de evitar niveles de saturación, se reserva más de una etapa para esta tarea. Por lo general, la etapa final será exclusivamente una etapa de potencia. Esta etapa, es en realidad la que permite la materialización de su aplicación en un ambiente completamente ajeno a las pequeñas señales. No debe dejarse de lado, el hecho de que las etapas iniciales y finales, también son las responsables de las características de impedancia que ofrecerá el amplificador. Tipos de acoplamiento Los dispositivos que se utilizan para interconectar las etapas permiten definir el tipo de acoplamiento a utilizarse. Los dispositivos usuales de acoplamiento son: Cable, Condensador, y Transformador.
Acoplamiento Directo
Consiste básicamente en interconectar directamente cada etapa mediante un cable. Presenta buena resistencia a baja frecuencia. Típicamente se utiliza para interconectar etapas de emisor común con otras de seguidor de emisor. La etapa 1, se diseña según los criterios ya vistos, por lo tanto, conocemos el punto de operación para cada una de las variables del circuito. Para diseñar la segunda etapa se debe considerar: −V CC + RC ( I B 2+ I C 1 ) +V BE −R E 2 I E 2=0 2
I B 2 ≪ IC I E 2=−( I C 2+ I B 2) −V CC + RC I C 1 +V BE −RE 2 ( I C 2+ I B 2) =0 −V CC + RC I C 1 +V BE −R E 2 ( β+ 1 ) I B 2=0 2
I B 2=
V CC−V BE−R C I C 1 R E 2 ( β +1 )
Acoplamiento Capacitivo
Permite desacoplar los efectos de polarización entre las etapas. Permite dar una mayor libertad al diseño. Pues, la polarización de una etapa no afectará a la otra.
Acoplamiento por Transformador
Muy popular en el dominio de las radiofrecuencias. Seleccionando la razón de las vueltas en el transformador permite lograr incrementos de tensión o de corriente. Se puede utilizar: V 2 N 2 i2 N 1 Z 1 N 1 = = = V 1 N 1 i1 N 2 Z 2 N 2
2
( )
Configuración Darlintong
Corresponde a dos etapas seguidor emisor. Presenta alta impedancia de entrada, además produce un efecto multiplicativo sobre la corriente de emisor de la etapa final. Configuración de Darlintong en Directa (derecha) y en Continua (izquierda).
−V CC + RB I B 1 +V BE −R E 2 I E 2 =0 I B 1+ I C 1=I B 2=(β +1) I B 1 I E 2=−( I C 2+ I B 2) =−( β 2+1 ) I B 2−V CC + RB I B 1 +2 V BE + R E 2 ( β2 +1 ) I B 2=0
I B 1=
V CC −2V BE R B + ( β 1 +1 ) ( β 2+ 1 ) R E 2
-
Amplificador Diferencial
Se define así, a la configuración amplificadora en la que la señal de salida corresponde a la diferencia entre 2 señales de entrada:
En un amplificador ideal, las salidas deben cumplir: V 0 = A d ( V i −V i ) V 0 =−A d ( V i −V i ) 1
2
1
2
2
1
⟹V 0 −V 0 =2 A d ( V i −V i ) 1
2
2
1
En un amplificador real, la salida es: V 0 = A d ( V i −V i ) + A c 1
2
1
V i +V i donde : 2 1
2
A d :Ganancia en Modo Diferencial
A c :Ganancia en Modo Común Para que un amplificador diferencial sólo responda a la entrada Ad ≫ Ac diferencial, lógicamente debe ocurrir: . Se define Razón de Rechazo en Modo Común a la cantidad: RRMC=
Ad Ac
En la práctica, RRMC mide la cantidad del amplificador diferencial. Medición de los parámetros
Si en
V0
V 0 = Ac 1
(
V0
Si en
1
V i +V i V0 A c= 2 Vi 1
1
2
)
, entonces
2
1
las entradas se presentan en desfase de 180°, entonces
V 0 =2 A d V i 1
V i =V i =V i
ocurre
1
2
, luego: A c=
V0 2V i 1
Configuración Si los parámetros de circuito y de los transistores para cada etapa, son idénticos, entonces para idéntica señal de V0 entrada la señal debe ser nula. Lo cual se conoce como circuito balanceado. V BE −RE I E −V BB =0 V BE −R E ( I E + I E ) −V BB=0 1
1
2
Con ambos transistores iguales: V BE −2 R E I E−V BB=0 I E =−(I C + I B ) 1
V BE +2 RE ( I C + I B )−V BB=0 1
IB = Q
V BB −V BE
1
2 R E ( β +1 )
; I E=
−( β +1 ) (V BB−V BE ) −(V BB−V BE ) = 2 RE 2 R E ( β +1 ) 1
En la práctica lo que se desea es que la
1
IE
sea independiente de los
transistores y de valor constante. También se deseará que
RE
sea lo
más grande posible. Cumpliendo lo anterior se obtendrá una RRMC de
valor alto y con ello, una respuesta diferencial más próxima al ideal de diferencial. Ejemplo: Demostrar que una gran valor de
RE
, mejora la respuesta del
amplificador diferencial. Si la calidad del amplificador, se mide según el parámetro RRMC, entonces
Entonces: V 0 = A d ( V i −V i ) + A c 1
2
1
V i +V i 2 1
2
- En modo Común: V i =V i =V i A c = 1
2
V0 Vi
1
Del circuito: ie i b =i b =i b y i e =i e =ie = =−(1+ hf e )i b 2 t
1
2
1
2
Luego: entrada: V 0 =−h fe i b RC V i=hi e i b −R E i e 1
Por malla de
t
Por lo tanto V i=( hie +2 ( h fe +1 ) R E ) i b y A c =
−hfe RC hie +2 R E (1+h fe)
- Modo Diferencial V i =−V i A c = 1
2
V0 2Vi 1
Dado que ambas señales están desfasadas entre sí, entonces: i b =−ib y ie =i e , i e =0 luego: , 1
2
1
2
t
Obteniéndose V i=h ie i b A d = 1
−h fe R C 2 hie
Finalmente: RRMC=
Observando:
hie + 2 R E (1+h fe ) hie ≪ 2 R E (1+h fe ) 2 hie
Entonces: A d R E (1+h fe) ≈ Ac hie Lógicamente, mientras mayor resulte
RE
, tanto mayor, será la RRMC y
mejorará notablemente la calidad del amplificador diferencial. En la práctica es difícil lograr el requisito anterior, debido a: 1) Dificultad en integrar altos valores para 2) Si aumenta
RE
RE
, también debe aumentar la polarización
(para mantener fijo el punto de trabajo
I EQ
).
V BB
El problema se resuelve, si se reemplaza
RE
por un circuito que
proporcione una fuente de corriente constante. Por lo que un ejemplo de lo anterior sería: i e =i c t
3
RB I B +V B E −RE I E −V BB =0 3
3
3
I E =−( 1+ β ) I B 3
IB = 3
3
V BB−V BE
3
RB + (1+ β ) R E
Por lo tanto I E =−( 1+ β ) t
V BB −V BE
R B + ( 1+ β ) R E
Seleccionando una IE = t
3
−V BB −V BE RB
RB
adecuada, se concluye que:
3
Lógicamente la corriente puede ser constante y necesariamente de valor elevado
RE
, no
REFERENCIAS
http://www.ie.itcr.ac.cr/marin/lic/el2207/wmarinCH03.pdf
https://www.academia.edu/3769944/3_4._Configuraci %C3%B3n_en_Emisor_Com%C3%BAn
https://www.academia.edu/3769943/3_5._Configuraci %C3%B3n_en_Colector_Com%C3%BAn
https://www.academia.edu/3769942/3_3._Configuraci %C3%B3n_en_Base_Com%C3%BAn
http://146.83.206.1/~jhuircan/PDF_CTOI/MultIee2.pdf
http://referencias111.wikispaces.com/file/view/Capitulo3_ce1.pdf
