tema5 - Electronica

Circuitos basados en transistores [5.1] ¿Cómo estudiar este tema? [5.2] Teoría de redes bipuerta [5.3] Modelo de pequeña señal del BJT [5.4] Modelo de pequeña señal en los FET [5.5] Amplificadores Amplificadores multietapa

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A M E T

Fundamentos de Electrónica

Esquema e t n s e e l r a a n v ó o p i i s d t a n a e u q c i e e t i t f o e l l i l u e d p d m m o M A

s e r o t s i s n a r t n e s o d a s a b s o t i u c r i C

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n u e e l d a ñ T y T e E s E s F o r a s t e F ñ o m e l á r u a q P e P

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l l e e n d e l h a s T ñ e T o J s J r t B e a ñ B á m e r u a q P e P

a s e e s d i d d o l e t a s r t a s r r l o e / a e e m d á d e u d a a i p o r a r t í r b M p n e o e T

TEMA 5 – Esquema

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o c i s n á u b e d r o s d i s a i c l i á f i n l A p m a

n o t g n i l r a D r a P

s e e t t n n i e e l r a r v o i c u y q e n s ó o i s l e n d e o t e M d

© Universidad Internacional de La Rioja (UNIR)


Ideas clave 5.1. ¿Cómo estudiar este tema? Para estudiar este tema lee las Ideas clave que encontrarás a continuación, además del siguiente intervalo, disponible en el aula virtual en virtud del artículo 32.4 de la Ley de Propiedad Intelectual: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros, capítulo 5, pp. 165-184. Santander: Publican.

En temas anteriores hemos estudiado la polarización de transistores (análisis en continua o de gran señal) que es la responsable de situar al transistor (TRT) en su punto de trabajo (Q, punto quiescente), zona activa o lineal para el BJT y de saturación para FET, donde presentan comportamientos aproximables a lineales. En estas condiciones, al aplicar una pequeña señal alterna a la entrada, el punto de trabajo se desplaza y se amplifica esa señal. Para estudiar el comportamiento del TRT en circuitos de amplificación se utiliza un modelo simplificado conocido como de pequeña señal, en el que se plantean pequeñas variaciones de tensión y/o corriente en los terminales del transistor.

5.2. Teoría de redes bipuerta Un circuito lineal que responda al esquema presentado en la Figura 5.1 se puede especificar por dos corrientes (I 1, I2) y dos tensiones (V 1, V 2).

Figura 5.1. Esquema de red bipuerta. Fuente: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros. Santander: Publican.

TEMA 5 – Ideas clave

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Según las variables elegidas el circuito lineal genérico admite una caracterización mediante cuatro parámetros matriciales {Z}, {Y}, {H} y {G}, que relacionan las variables de la siguiente forma (Ruiz, 2009):

En el caso del BJT los más adecuados son los {H} que corresponderían a:

hi =

I1 V =0 2 V1

hr = hf =

   

V1

V2 I =0 1 I2

I1 V =0 2

ho =

I2

V2 I =0 1

=resistencia de entrada con salida en cortocircuito =ganancia inversa de tensión con entrada en circuito abierto =ganancia de corriente con salida en cortocircuito =conductancia de salida con entrada en circuito abierto

Y su modelo da lugar al circuito equivalente de la Figura 5.2:

Figura 5.2. Circuito equivalente con parámetros h. Fuente: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros. Santander: Publican.

De este modo el circuito lineal a estudiar puede ser sustituido por su equivalente en un circuito genérico alimentado por un generador de tensión V S con resistencia interna R S y con una carga en la salida Z L (Figura 5.3).


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Figura 5.3. Circuito de estudio en el modelo de parámetros h. Fuente: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros. Santander: Publican.

El modelo se caracteriza por cuatro parámetros (Ruiz, 2009): » Ganancia de corriente: cociente entre intensidad de salida y la de entrada.

 1 − 12 ℎℎ  11 ℎ − ℎ ℎℎ   12   =

=

=

1+

» Impedancia de entrada: Relación entre la tensión y la corriente de entrada. =

==

1

+

» Ganancia de tensión: Relación entre la tensión de salida y la de entrada. =

=

» Impedancia de salida: Relación entre la tensión y la corriente de salida, con generador de entrada nulo (V S=0) y en ausencia de carga (circuito abierto, Z L=∞).

Estos parámetros permiten definir dos modelos simplificados para el análisis de TRTs: » Modelo equivalente en tensión: usa el equivalente de Thévenin en la salida. » Modelo equivalente en corriente: usa el equivalente de Norton en la salida.


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5.3. Modelo de pequeña señal del BJT

Figura 5.4. Parámetros h del BJT en emisor común (a) Definición; (b) Para BJT NPN; (c) Para BJT PNP. Fuente: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros. Santander: Publican.

En un amplificador con BJTs aparecen dos tipos de tensiones/corrientes continua (polarización) y alterna (pequeña señal) que, aplicando el principio de superposición se pueden representar:

       �   = = =

+ + +

En la configuración de emisor común, los parámetros h del transistor se corresponderían con los de la Figura 5.4. Los parámetros h varían de un transistor a otro y presentan una dependencia importante con la corriente de colector y la temperatura. El fabricante suele proporcionar gráficas de estos parámetros a distintas temperaturas.


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Figura 5.5. Amplificador en emisor común con resistencia de e misor. (a) Circuito de alterna. (b) Equivalente en pequeña señal con hre=0. Fuente: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros. Santander: Publican.

Los parámetros h se suelen referir a la configuración de emisor común pero también existen las configuraciones de colector común y de base común. En la Figura5.5 se muestra un amplificador en emisor común y su equivalente en pequeña señal con hre=0. Lo que proporciona las siguientes características del amplificador (Ruiz, 2009):

En el manual recomendado se realiza un ejemplo completo de análisis de un amplificador básico en conexión de emisor común.

Para mejorar las características de los BJTs en ocasiones se presentan en configuración Darlington lo que proporciona unas h FE mucho más altas.


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5.4. Modelo de pequeña señal en los FET En el caso de los FET, al estar controlados por tensión, los parámetros más interesantes son los {Y}, que relacionan corrientes de salida con tensiones de entrada.

Figura 5.6. Circuito equivalente en pequeña señal del FET con parámetros{Y}. Fuente: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros. Santander: Publican.

La Figura 5.6 muestra el circuito equivalente en pequeña señal del FET en el que aparecen sus dos parámetros clave (Ruiz, 2009): » Factor de admitancia (gm):

(FET)

(MOST) » Resistencia de salida o de drenador (r d):

» Factor de amplificación (μ):


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Estos serían los parámetros proporcionados por el fabricante en las hojas de características. La Figura 5.7 resume las configuraciones típicas de los amplificadores basados en FET y MOSFET, con las ecuaciones del modelo equivalente en tensión de cada configuración.

Figura 5.7. Configuraciones básicas de los amplificadores basados en FET y MOSFET. Fuente: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros. Santander: Publican.


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5.5. Amplificadores multietapa Los amplificadores multietapa son circuitos formados por amplificadores básicos con conexión en cascada (salida de la etapa previa conectada con la entrada de la etapa siguiente) (Figura 5.8).

Figura 5.5. Esquema de amplificador multietapa con modelos equivalentes de tensión. Fuente: Ruiz, G. A. (2009). Electrónica Básica para Ingenieros. Santander: Publican.

La conexión se puede realizar directamente (acoplo en continua) o a través de un condensador. En este tipo de configuraciones es esencial evaluar la adaptación de impedancias entre etapas.


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Lo + recomendado No dejes de leer… Modelos de pequeña señal Si quieres profundizar en los modelos de pequeña señal de los distintos dispositivos electrónicos puedes consultar el siguiente texto publicado por los profesores Franco González y Mártil, de la Facultad de CC Físicas de la UCM.

Accede al artículo desde el aula virtual o a través de la siguiente dirección w eb: https://cv3.sim.ucm.es/access/content/group/portal-uatducma43/Webs/material_original/apuntes/PDF/02_modelos_ps_dispositivos.pdf

No dejes de ver… Ejemplos de transistores en pequeña señal Los siguientes enlaces muestran ejemplos de análisis y simulación de

transistores

operando

en

pequeña señal.

Accede a los vídeos desde el aula virtual o a través de las siguientes direccion es web: BJT: https://www.youtube.com/watch?v=PmnNHzs7Qco BJT: https://www.youtube.com/watch?v=hZ2Whhwtx5c FET: https://www.youtube.com/watch?v=FyMwiQEEt10

TEMA 5 – Lo + recomendado

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+ Información A fondo Amplificadores basados en transistores bipolares y de efecto de campo

Floyd, T. L. (2009). Dispositivos electrónicos. México: Pearson.

Los capítulos 6 y 9 de este libro presentan un análisis más profundo de los amplificadores basados en transistores bipolares y de efecto de campo.

Comportamiento semiconductor de los transistores FET Si te interesa profundizar en el comportamiento semiconductor de los transistores FET revisa el capítulo 7 del libro Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits del profesor Chenming Calvin Hu, de la Universidad de Berkeley (2010).

Accede al libro desde el aula virtual o a través de la siguiente dirección web: http://www.eecs.berkeley.edu/~hu/Book-Chapters-and-Lecture-Slides-download.html

TEMA 5 – + Información

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Test 1. El BJT en pequeña señal: A. Se caracteriza por los parámetros {Y}. B. Se caracteriza por los parámetros {G}. C. Se caracteriza por los parámetros {Z}. D. Se caracteriza por los parámetros {H}. 2. Un modelo equivalente de tensión: A. Está relacionado con el circuito equivalente de Théveni n. B. Está relacionado con el circuito equivalente de Norton. C. Está relacionado con el circuito equivalente de Kirchhoff. D. Ninguna de las afirmaciones anteriores es cierta. 3. El parámetro hf del BJT: A. Representa una ganancia de tensión. B. Representa una ganancia de corriente. C. Representa una impedancia. D. Representa una conductancia. 4. En un amplificador multietapa: A. Se unen transistores para conseguir una impedancia de entrada may or. B. Se conectan amplificadores en paralelo. C. Se conectan amplificadores en cascada. D. Ninguna de las afirmaciones anteriores es cierta. 5. El par Darlington es: A. Un tipo especial de amplificador. B. Una configuración especial de generador de tensión. C. Un tipo especial de fuente de corriente. D. Ninguna de las opciones anteriores es cierta.

TEMA 5 – Test

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6. La teoría de redes bipuerta: A. Se basa en considerar el transistor como un dispositivo lineal. B. Analiza el comportamiento del circuito exclusivamente en continua. C. Es un modelo que trabaja exclusivamente con tensiones. D. Ninguna de las respuestas anteriores es cierta. 7. En un amplificador con transistor bipolar en emisor común: A. La corriente de colector tiene sólo componente continua. B. La corriente de colector tiene sólo componente alterna. C. La corriente no influye en el funcionamiento del circuito. D. Ninguna de las tres respuestas anteriores es correcta. 8. Un amplificador básico en emisor común se caracteriza por: A. Impedancia de entrada muy baja y con una ganancia en corriente ligeramente inferior a 1. B. Impedancia de salida baja con una ganancia en tensión ligeramente inferior a 1 C. Ganancias de tensión y de corriente elevadas con impedancias de entrada y salida medias. D. Ninguna de las tres respuestas anteriores es correcta. 9. En el modelo en pequeña señal de un FET los parámetros más importantes son... A. Una ganancia de corriente y una ganancia de tensión. B. Una resistencia y una admitancia. C. Una resistencia y una ganancia de tensión. D. una ganancia de corriente y una resistencia. 10. Un amplificador basado en FET con configuración de fuente común: A. Presenta una alta ganancia de corriente. B. Presenta una alta ganancia de tensión. C. Presenta una ganancia de tensión menor que 1. D. Ninguna de las afirmaciones anteriores es correcta.

TEMA 5 – Test

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