Amplificador con BJT. OPERACIÓN DE UN AMPLIFICADOR. La polarización de un transistor es estrictamente una operación de cd. El propósito de la polarización es establecer un punto pu nto Q sobre el que las variaciones de corriente c orriente y voltaje puedan ocurrir en respuesta a una señal de entrada de ca. En aplicaciones en las que voltajes de señal pequeños deben ser amplificados —tales como los provenientes de una antena o un micrófono —, las variaciones con respecto al punto Q son relativamente pequeñas. Los amplificadores diseñados para manejar estas señales pequeñas de cd a menudo se conocen como amplificadores de señal pequeña. Las cantidades de cd se identificaron con subíndices de letras mayúsculas no cursivas tales como I C, C, I E, E, V C y V CE. CE. Se utilizan subíndices de letras cursivas minúsculas para indicar cantidades de ca de corrientes y voltajes rms, pico y pico a pico; por ejemplo, Ic , Ie,Ib, Vc y Vce.
EL AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN. Como aprendió anteriormente, un BJT puede ser representado en un circuito modelo de ca. Tres configuraciones de amplificador son en emisor común, en base común y en colector común. La configuración en emisor común (EC) tiene al emisor como terminal común, o tierra, ante una señal de ca. Los amplificadores en EC tienen una alta ganancia de voltaje y una alta ganancia de corriente.
Figura 1. Amplificador en emisor común.
La figura muestra un amplificador en emisor común con polarización utilizando un divisor de voltaje y capacitores de acoplamiento C1 y C3 en la entrada y salida, y un capacitor de puenteo, C2, del emisor a tierra. La señal de entrada, Vent está acoplada capacitivamente a la base;la señal de salida, Vsal, está acoplada capacitivamente del colector a la carga. La salida amplificada está desfasada 180° con respecto a la entrada. Como la señal de ca se aplica a la base como entrada y se toma en el colector como salida, el emisor es común tanto para las señales de entrada como de salida. No hay señal en el emisor porque el capacitor de puenteo pone efectivamente al emisor en cortocircuito con tierra a la frecuencia de la señal. Todos los amplificadores combinan tanto la operación en ca como en cd, lo cual debe ser considerado, aunque debe tenerse en cuenta que la designación en emisor común se refiere a la operación en ca.
RESOLVIENDO FIGURA 1. Para analizar el amplificador ilustrado en la figura 1, primero se deben determinar los valores de polarización de cd. Para ello se desarrolla un circuito equivalente en cd eliminando los capacitores de acoplamiento y puenteo porque aparecen como un circuito abierto en lo que a polarización de cd respecta. Esto también elimina el resistor de carga y la fuente de señal. El circuito equivalente en cd se muestra en la figura 2. ANALISIS EN CD. Figura 2. Circuito equivalente.
La resistencia de cd de entrada en la base se determina de la siguiente manera:
Como en este caso RENT(BASE) es más de diez veces R2, el divisor de voltaje es rígido. La corriente de cd en la base se calcula como:
ANALISIS EN CA.
Para analizar la operación de un amplificador con señal de ca, se desarrolla un circuito equivalente en ca de la siguiente manera: 1. Los capacitores C 1, C 2 y C 3 son reemplazados por cortos efectivos porque sus valores se seleccionan de modo que XC sea despreciable a la frecuencia de la señal y se pueda considerar que es de 0 Ω. 2. La fuente de cd es reemplazada por tierra. La resistencia interna de una fuente de voltaje de cd es de cerca de 0 Ω porque
mantiene un voltaje constante independiente de la carga (dentro de los límites); no se puede desarrollar voltaje de ca a través de ella, de modo que aparece como un corto de ca. Por eso una fuente de cd se conoce como tierra de ca. El circuito equivalente en ca del amplificador en emisor común de la figura 1 se muestra en la figura 3(a). Observe que tanto RC como R1 tienen un extremo conectado a tierra de ca (gris en la figura) porque, en el circuito real, están conectados a VCC la que, en realidad, es la tierra de ca.
En el análisis en ca, la tierra de ca y la tierra real son tratadas eléctricamente como el mismo punto. El amplificador de la figura 6-8 se llama amplificador en emisor común porque el capacitor de puenteo C2 mantiene el emisor a la tierra de ca. La tierra es el punto común en el circuito. Se muestra una fuente de voltaje de ca, Vs, conectada a la entrada en la figura (b). Si la Resistencia interna de la fuente de ca es de 0 Ω, entonces todo el v oltaje de la
fuente aparece en la base. No obstante, si la fuente de ca no tiene una resistencia interna cero, entonces se deben tener en cuenta tres factores a l determinar el voltaje de señal real en la base: la resistencia de fuente (Rs), l a resistencia de polarización (R 1 || R 2) y la resistencia de entrada de ca en la base de l transistor (Rent(base). La siguiente fórmula expresa la resistencia de entrada total. (tot ) _ R 1 || R 2 || Rent (base ) Rent
Como se puede ver en la figura, el voltaje de alimentación, Vs, se divide entre Rs (resistencia de la fuente) y Rent(tot), de modo que el voltaje de señal en la base de l transistor se calcula con la fórmula del divisor de voltaje de la siguiente manera:
Resistencia de entrada en la base Para desarrollar una expresión para la resistencia de entrada de ca viendo la base, se utiliza el modelo de parámetros r simplificado del transistor. La figura que se encuentra en la equina muestra el modelo del transistor conectado al resistor externo RC en serie con el colector. La resistencia de entrada viendo la base es:
La resistencia de salida del amplificador en la configuración en emisor común es la resistencia viendo el colector y es aproximadamente igual al resistor en seri e con el colector. En realidad Rs= RC || r ’, pero como la resistencia interna de ca en el colector del transistor, es en general mucho más grande que R C, la aproximación casi siempre es válida.
EL AMPLIFICADOR EN COLECTOR COMÚN. Normalmente se hace referencia al amplificador en colector común (CC) como seguidoremisor (SE). La entrada se aplica a la base por medio de un capacitor de acoplamiento y la salida es por el emisor. La ganancia de voltaje de un amplificador en CC es aproximadamente 1 y sus ventajas principales son sus altas resistencia de entrada y ganancia de corriente.
EJEMPLO DE SOLUCION: Determine la resistencia de entrada total del seguidor-emisor de la figura inferior. También determine la ganancia de voltaje, la ganancia de corriente y la ganancia de potencia en función de la potencia entregada a la carga RL. Asuma Bca=175 y que las reactancias capacitivas son despreciables a la frecuencia de operación.
La resistencia de ca en el emisor externa al transistor es:
La resistencia aproximada, viendo la base, es
La resistencia total de entrada es
La ganancia de voltaje es preciso de Av si es necesario.
Con re’,se puede determinar un valor más
Por consiguiente,
Y
Por lo tanto,
La pequeña diferencia en Av por considerar es despreciable en la mayoría de los casos. La ganancia de corriente es Los cálculos son los siguientes:
La ganancia de potencia es
Como RL = RE, la mitad de la potencia se disipa en RE y la mitad en RL. Por consiguiente, en función de potencia entregada a la carga, la ganancia de potencia es
AMPLIFICADOR EN BASE COMÚN El amplificador en base común (BC) proporciona una alta ganancia de voltaje con una ganancia de corriente máxima de 1. Como su resistencia de entrada es baja, el amplificador en BC es el tipo más apropiado para ciertas aplicaciones donde las fuentes tienden a tener salidas de muy baja resistencia. EJEMPLO DE SOLUCION: Determine la resistencia de entrada, la ganancia de v oltaje, la ganancia de corriente y la ganancia de potencia del amplificador mostrado en la figura. BCD = 2 50.
Primero, determine IE de modo que pueda determinar re’. Luego , entonces:
Por consiguiente,
Como
Calcule la ganancia de voltaje de la siguiente manera:
Además,
AMPLIFICADOR CON MOSFET. Cuando se utiliza en aplicaciones de amplificador, el FET ofrece una importante ventaja comparado con el BJT debido a la impedancia de entrada extremadamente alta del FET. Las desventajas, sin embargo, incluyen una alta distorsión y una baja ganancia. La aplicación particular normalmente determinará qué tipo de transistor es el más adecuado. El amplificador en fuente común (CS) es similar al amplificador de BJT de emisor común. • • • •
Debe su nombre a “Resistor de transferencia”.
Dispositivo electrónico, formado por tres partes de material Semiconductor Sustrato de Si, con otras partes dopadas. Este tipo de circuitos se utilizan para la construcción de circuitos integrados.
Características: • Su estructura es más simple y por lo tanto su costo de fábrica más reducido. • La tecnología MOS ha dado importantes pasos hacia la consecución de transistores de potencia que puedan competir con lo de tecnología bipolar. • En los transistores MOS existe la posibilidad de conectarlos en paralelo, de cara a manejar elevadas corrientes, ya que su conductancia disminuye al aumentar la temperatura, (distribución homogénea de la corriente entre los dispositivos conectados). El amplificador alimenta con una señal de fuente, en abierto, de Voltaje Vsig, y una residencia interna Rsig. Éstos pueden ser los parámetros de una fuente señalada real o que es lo mismo el equivalente de Thévenin de la salida del circuito de otro amplificador de fase que precede en uno de cascada.
Los parámetros R i , Ro , Avo , Ais , y Gm son propios del amplificador, es decir, no dependen de los valores de Rsig y RL , por el contrario, R in , R out , Av , Ai , G vo, y G v deben depender de alguno de los dos. Se puede observar que Ri = Rin cuando RL =∞, y Rout = Ro cuando Rsig = 0.
Para amplificadores no unilaterales, R in debe depender de RL , y Rout de Rsig. Estas dependencias no se dan en amplificadores unilaterales, por cuanto R i = Rin y Rout = Ro. La resistencia de entrada Rin determina: La carga en el amplificador. La corriente ii que traza el amplificador desde la fuente. La proporción de Vsig aparece en la entrada del amplificador.
Ganancia en el circuito La ganancia AV de AVO se evalúa en RO, debido a que AV se basa en alimentar el amplificador con un voltaje ideal vi. Así se muestra en el circuito equivalente de la figura:
vi v sig
Av
Avo
Rin Rin R sig
Avo
R L R L Ro
Gm Ro
Ejemplo: Un amplificador de transistor, es alimentado con una señal, teniendo un voltaje de circuito abierto Vsig de 10 mA y una resistencia interna R sig de 100 k Ω. El voltaje V i en la entrada del amplificador, y el voltaje de salida V o , son medidos sin y con una resistencia de carga R L = 10 k Ω conectada a la salida del amplificador Los resultados de las mediciones son los siguientes: Sin RL → Con RL →
Vi = 9 mV Vi = 8 mV
y Vo = 90 mV y Vo = 70 mV
Encontrar todos los parámetros del amplificador.
Resolviendo: Sin RL Ganancia de voltaje
A vo
Vo Vi
G vo
90
9
Resistencia de entrada
10
9
Aumento total del voltaje G vo
Vo Vsig
90
10
9
R i R i R sig
R i R i
100
10
Ri 900k
Con la resistencia de carga conectada:
Ahora se utilizan los valores de Avo para determinar:
Avo
De manera similar se procede con
:
El parámetro de transconductancia en corto circuito:
Por último, la ganancia de corriente: