Transistor Bjt Emisor Comun Hibrido

1.2.2 Amplificador en Emisor Común

El amplificador en Emisor Común se caracteriza por amplificar la señal, tanto en voltaje como en corriente, además el voltaje de salida es invertido con respecto al de entrada. Su impedancia de entrada y de salida son altas.

El circuito equivalente de Corriente continua es:

Circuito equivalente de corriente alterna

R B

R´ L

__________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Glez. Rojas Notas de la Clase de Electróni ca II

donde

R B = R1 || R 2 ' R L = RC

|| R L

Si Vs es una señal pequeña entonces el transistor opera en forma lineal y para efectos de análisis el transistor tiene un circuito lineal equivalente llamado circuito en parámetros “h”.

Modelo de señal pequeña del BJT para la configuración en Emisor Común

Modelo del BJT en parámetros “h” (configuración en Emisor Común)

Significado de los parametros “h” vbe = hieib + hre vce ic = h feib + hoe vce

__________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electróni ca II

Estos parámetros “h” reciben su nombre a partir de las siguientes condiciones

A).- Corto circuito en la salida ( V ce = 0 ).

∴

vbe = ( hie )ib

ic = (h fe )ib

por lo que:

hie =

vbe ib

h fe =

V CEQ vce =0

ic ib

V CEQ vce = 0

hie = Impedancia de entrada con la salida en corto.

i = input. e = emisor común.

h fe = Ganancia de corriente en sentido directo con la salida en corto. f = forward - directo e =emisor común

B).- Circuito abierto en la entrada ( ib = 0 ) ∴

vbe = hre (vce ) ic = hoe (v ce )

por lo que:

hre =

hoe =

vbe vce I BQ

ib =0

ic vce I BQ

ib =0

hre = Ganancia de voltaje en sentido inverso con la entrada abierta.

r = reverse e = emisor común __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electróni ca II

hoe = Admitancia de salida con la salida abierta. o = output e = emisor común.

Determinación de los parámetros “h” De las curvas de entrada pueden ser determinados gráficamente los parámetros hie y h re ∆V CE = 19V

ib

V CE = 1V

ib

V CE = 20V

∆i B

v BE ∆V BE hie =

vbe ib

=

∆vBE ∆ib

= ∆V BE = 0 V CEQ

∂vBE ∂iB

Puede observarse que hie corresponde a la resistencia dinámica del diodo B-E hie =

VT I CQ

=

VT V = h fe T I CQ I CQ h fe

∆V CE

ib I BQ

∆V BE

v BE


Puede observarse que hre corresponde un valor muy pequeño, su valor se encuentra en el rango de 1x10-4 a 3x10-4, y para efectos prácticos puede considerarse cero

hre =

vbe vce

=

∆vBE ∆vCE

= ∆V BE =0 I CQ

∂vBE ∂vCE

Los parámetros hfe y hoe se obtiene a partir de las curvas de salida y como se indican en las mismas

h fe =

ic

hoe =

ic

ib

=

vce

∆ic ∆iB

=

= ∆ic →0 V CEQ

∆iC ∆vCE

∂iC ∂iB =

∆iC →0 I CQ

∂iC ∂vCE

Se observa que el valor de hoe es muy pequeño, un valor típico es de aproximadamente de 100 m siemens y para fines prácticos puede considerarse como Admitancia 0 = resistencia infinita.

Modelo del Amplificador en Emisor Común incluyendo el modelo de señal pequeña del transistor


Las impedancias de entrada y de salida pueden obtenerse fácilmente mediante observación del circuito: Z i = R B

|| hie

y

Z o = Rc

La ganancia de voltaje puede obtenerse a partir de la multiplicación de los siguientes factores v L

AV = v L vCE

vL vce vbe

=

vs

vce vbe vs

=1

vce = − ⎡⎣ h feib ⎤⎦ ⎡⎣ Rc RL ⎤⎦ vbe = hieib vce vbe vbe vs

= − h fe

=

RC RL hie

R B hie RB hie + rs RC R L

Av =

V L

Ai =

i L

i L

− RC h fe RC + R L

iS ib

=

=

V S

iS

= −h fe

hie

.

RB hie R B hie + rs

i L ib

=

.

ib i s

R B

iS

R B + rs

Ai =

i L iS

=

RB − RC h fe RC + RL RB + hie


V L Ai =

i L i S

R L V S

=

=

V L rs + z i V S

.

Ai = Av

R L

zi + rs R L

rs + z i

PROBLEMA.- El transistor 2N3904 tiene un h fe de 125 cuando su punto de operación es I CQ = 1mA y V CEQ = 6V . Se pretende polarizar este transistor mediante la técnica de división de tensión. a).- Calcular el valor adecuado de cada uno de los resistores para cumplir con esa condición de 1 1 polarización y bajo los siguientes datos adicionales; Vcc=12V, R B = β R E y V E = V CC . 10 10 Una vez polarizado el transistor, el circuito se utilizará como amplificador. La señal a amplificar proviene de una fuente de voltaje con resistencia interna de 50 Ω . la señal amplificada será suministrada a una resistencia de carga de 1.2 K Ω . b).- Calcular la impedancia de entrada y la de salida del amplificador c).- Calcular la ganancia del voltaje del amplificador. d).- Calcular la ganancia de corriente del amplificador. En los incisos b, c y d suponer que la reactancia de los capacitores es despreciable a la frecuencia de la señal. e).- Calcular el valor mínimo de capacitancia de cada uno de los capacitores de tal manera que en el amplificador se tenga un acoplamiento y desacoplamiento ideal para fines prácticos. Fc = 100 Hz a).-

12V 1.2V = 1.2V por lo que R E = = 1.2 K Ω 10 1mA 125 R B = (1200) = 15K Ω 10 V CC − V CEQ 12V − 6V RC = − R E = − 1.2 K Ω = 4.8 K Ω I CQ 1mA V E =

25mV (125) = 3.212 K Ω I CQ 1mA (3.212 K Ω)(15K Ω) Z i = R E || hie = = 2.546 K Ω 18.212 K Ω Z o = RC = 4.8 K Ω hie =

V T

h fe =

c).-

AV =

V L

= −h fe

d).-

Ai =

i L

b).-

V s

is

=

RC || R L

R B || hie

hie

r s + R E || hie

RC RC + R L

(−h fe )

R B

R B + hie

=

=

− 125(960) 2646

3212

2696

= −36.65

4800 15000 (−125) = −82.36 6000 18212


e).- Para poder calcular el capacitor C i tenemos que encontrar la resistencia de Thévenin que este

capacitor “mira” entre sus terminales

RCi = RB || hie + r s = 2646 + 50 = 2696Ω

1 R = 269.6 10 Ci 1 Ci = = 5.9 µ F 2π (100)(269.6)

X Ci =

Donde RCi es la resistencia vista por el capacitor Ci Para poder calcular el capacitor C O tenemos que encontrar la resistencia de Thévenin que este capacitor “mira” entre sus terminales RCO = RC + RL = 6 K Ω

1 R = 600Ω 10 CO 1 CO = = 2.65µ F 2π (100)(600)

X Ci =

Donde RCO es la resistencia vista por el capacitor C O Para poder calcular el capacitor C E tenemos que encontrar la resistencia de Thévenin vista desde el el desde la fuente de señal. Para esto dibujamos el circuito equivalente visto desde el Terminal del emisor, a este circuito en donde las resistencias de base cambian aparentemente en su valor, se le conoce como circuito de de base reflejado en el de emisor. r s' / ( hf e+1)

ie

B

hi e/ ( hf e+1)

Vs

E

RE ie

RTH


Donde r s' = R B || r s

Entonces:

RCE = RE ||

'

rs + hie h fe + 1

= 25.34Ω

1 R = 2.534Ω 10 CE 1 C C = = 628µ F 2π (100)(2.534)

X C =

RCE =

(r s || R B ) + hie h fe + 1

|| R E =

(50 || 15K Ω) + 3.2 K Ω || 1200 126

RCE = 25.88 || 1200 = 25.33 = X C C E =

1 = 62.83µ F 2π (100)(25.33)

Donde RCE es la resistencia Thévenin vista por el capacitor C E

CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA AMPLIFICADORES DE SEÑAL PEQUEÑA: 1. Proponer la ganancia de voltaje a obtener 2. Elegir un tipo de polarización y establecer el punto de operación. El punto de operación deberá estar en la región activa o lineal. 3. Establecer el grado de estabilidad que deberá tener el punto de operación con respecto de los cambios de β 4. Se recomienda seleccionar voltajes de alimentación que sean estándar. (Múltiplos de 1.5 V) por ejemplo 12V. 5. Se recomienda elegir corrientes de colector 0.5 ≤ I CQ ≤ 4mA

EJEMPLO DE DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE SEÑAL PEQUEÑA EN CONFIGURACIÓN DE EMISOR COMUN. PROPUESTA DE DISEÑO: Diseñar un amplificador en E.C. como el que se muestra en la figura de tal manera que se obtenga una ganancia de voltaje de

V ce V be

igual a –200.


SOLUCION: Paso 1 La figura nos sugiere una polarización por divisor de tensión Sabemos que la ganancia de voltaje: V ce V be

= −hfe

RC hie

≅−

RC hib

≅

RC V T I CQ

Por lo que RC = −200(

V T

I CQ

)

Seleccionando I CQ = 1mA y que V T = 25mV a 25 O C Entonces

RC = 5 K Ω

Siendo su valor comercial más cercano de RC = 5.1K Ω Paso 2 Proponiendo que el punto de operación se encuentre a la mitad de la recta de carga, entonces V CEQ =

1 V 2 CC


Eligiendo V CC = 12V entonces V CEQ = 6V El análisis en D.C. para la trayectoria de salida del amplificador tenemos que: V CC = V RC + V CEQ + V RE

Por lo que

Como

V RE = V CC − V RC − V CEQ V RE = V CC − V CEQ − R E I EQ

I CQ ≅ I EQ

Entonces V RE ≅ 12V − 6V − 5 K Ω(1mA) V RE ≅ 1V

Ahora por la ley de Ohm. R E =

V RE I EQ

≅

V RE I CQ

=

1V = 1K Ω 1mA

Ahora sí; ya tenemos las condiciones de recta de carga en D.C. para que el punto de operación sea fijado por la malla de la base, es decir, solo nos falta seleccionar los voltajes de R1 y R2 para tal propósito. Para establecer estos valores, primeramente agregaremos un grado de estabilidad que deberá tener el punto de operación con respecto a los cambios de β Si se elige un transistor 2N3904, este tiene una β típica de 150 cuando el punto de operación se establece en I CQ = 1mA y V CEQ = 6V Uno de los criterios más comunes es el de R B =

1 β R 10 E

El cual nos permite una buena estabilidad del punto de operación y nos proporciona además una no muy baja, lo cual es bueno para aspectos de contar con una ganancia de Corriente. __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electróni ca II

Por lo tanto 1 R B = 150(1K Ω) 10 R B = 15K Ω Entonces R1 puede calcularse: R1 =

R B = V BB

1−

V CC

15K = 17.65K Ω 1.8 1− 12 R B

Donde V BB = V BEQ + I CQ (

β

+ RE )

Siendo su valor comercial mas cercano: R1 = 18K Ω R2 =

V CC V BB

R B =

12 15K 1.8

R2 = 100 K Ω

En resumen, si queremos obtener una ganancia de voltaje de –200 para el circuito mostrado en la figura los elementos deberán ser V CC = 12V R1 = 18K Ω R2 = 100 K Ω R E = 1K Ω RC = 5.1K Ω

Transistor 2N3904 PREGUNTAS : ¿Qué sucede con el amplificador en E.C. diseñado si la señal a amplificar proviene de una fuente de voltaje con resistencia interna rs y que pasa además si se conecta una resistencia R L de carga acoplada en A.C.? ¿Qué sucede con la ganancia =-200? ¿Cómo deben ser los valores de r S y R L para que la ganancia de –200no se afecte significativamente? __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electróni ca II

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