Amplificadores Monoetapas con Transistores Bipolares: Señales Débiles. El transistor bipolar está compuesto por 3 terminales, llamadas base, colector y emisor. Estos dispositivos son controlados por corriente. Existen 3 tipos de configuraciones de transistores bipolares con características particulares cada una de estas configuraciones. Mencionaremos las 3 configuraciones de un transistor bipolar: 1- Emisor Común. 2- Base Común. 3- Colector Común. La forma de distinguir las configuraciones es observando que alguna de estos 3 terminales tiene en común la malla de entrada y malla de salida del transistor. Cuando analizamos de cada una de estas configuraciones tenemos en cuenta el análisis estático (corriente Continua) y su análisis dinámico (Corriente Alterna), este análisis se realiza a través del principio de superposición basado en señales débiles. Supongamos que la excursión de señal es muy pequeña, podemos considerar que la misma es de características lineales y por lo tanto podemos reemplazar al transistor por un circuito incremental o equivalente constituido por parámetros lineales. Circuito Equivalente de un transistor bipolar para señales débiles: Observamos el siguiente circuito equivalente del transistor en señales débiles. Iremos a detallar cada componente de este circuito. La salida del transistor podemos imaginarla como una fuente de corriente controlado por tensión o por corriente.
Donde Rb: Resistencia de extensión de base (varía entre 10Ω y 500Ω). Rbe: Resistencia juntura base – emisor. Ro: Resistencia de salida del transistor. Gm: Transconductancia del transistor, cuando V2 es un cortocircuito. La transconductancia aumenta en forma proporcional con la corriente del colector, del transistor que demostraremos más adelante. Ic = Gm. Vt Sabemos que Vt=25mv, entonces podemos asumirla como condición de diseño que: Ic= Gm. 25mv. Gm= 40 Icq. En el circuito equivalente anterior observamos que la generador de corriente está controlado por tensión, también podemos usar un generador de corriente controlado por corriente, observaremos en el siguiente circuito equivalente.
Para que ambos circuitos sean equivalentes debemos plantear la siguiente ecuación. El Hfe es la ganancia del transistor cuando V2 es un corto circuito, este valor en caso de no obtenerlo por la hoja de datos del transistor podemos asumirlo como el hfe estático del transistor . Gm. V= Hfe. Ib. V= Ib. Rbe (Al Rbe también se lo conoce como hie, cuando usamos parámetros H). Gm. Ib. Rbe = Hfe. Ib. Despejando nos queda la siguiente ecuación. Rbe =
Configuración Emisor Común:
Análisis Estático: En esta figura vemos un amplificador monoetapa de emisor común para señales débiles, este esta excitado mediante un generador de tensión. Primero procederemos a realizar el estudio estático para obtener el punto Q de polarización.
Como vamos a realizar el estudio en continua se cortocircuito el generador (se anula la excitación) y como la frecuencia es cero, entonces los capacitores se comportan como un circuito abierto, eso quiere decir que la reactancia capacitiva tiende a infinito. Xc= Entonces el circuito nos queda de la siguiente manera.
Observando este circuito podemos obtener el punto Q de polarización debemos obtener la corriente de colector y la tensión colector emisor. En primer lugar analizamos la malla de entrada del transistor, aplicando el principio de Thevenin podemos obtener los puntos de polarización. Podemos plantear al circuito de otra manera aplicando Thevenin.
Vth = Vcc. Rb=R1//R2. Aplicando el principio de Kirchoff, la caída de tensión de una malla es igual a cero. Vth – Ib.Rb –Vbe –Icq. Re=0. Como Icq= Ib.Hfe Vth – Icq.
- Vbe – Icq. Re=0.
Si el hfe (ganancia estática del transistor es muy grande podemos llegar a despreciar ese término y la ecuación de entrada nos queda de la siguiente manera. Icq = Mediante esta ecuación sacamos las siguientes conclusiones, en primer lugar la corriente del colector depende del valor de la resistencia del emisor (también podemos verla como un generador de corriente). En caso que Re sea grande la corriente del colector seria una pequeña y demostraremos más adelante que disminuye la ganancia de tensión del transistor.
Ahora analizaremos la malla de salida del transistor.
Vcc – Icq.Rc – Vceq – Icq. Re = 0 Vceq = Vcc – Icq (Rc+Re). Análisis Dinámico: Se aplica una alimentación alterna al transistor, las reactancias capacitivas se comportan como un cortocircuito (Xc tendería a cero), anulándose las fuentes de alimentación de corriente continua. Veremos el circuito equivalente a continuación.
Desarrollaremos un poco más en detalle al transistor.
Donde Ri: Resistencia de entrada del transistor. Ria: Resistencia de entrada de la etapa amplificadora. Ris: Resistencia de entrada del sistema. Por otro lado Ria es igual al paralelo de la resistencia Rb con la Ri o hie. Ria= Rb//hie. Lo cual Ria sería prácticamente igual a hie, debido que Rb ˃˃ hie, entonces Ria
hie.
Ro: Resistencia de salida del transistor. Ro= 1/hoe. El hoe es la conductancia de salida del transistor. Roa: Resistencia de salida del amplificador. La roa es el paralelo entre la resistencia de salida Ro con Rd, la Rd llamada resistencia dinámica es el paralelo entre Rc//Rl. Como Ro es muchísima más grande que la resistencia, entonces podemos adoptar que Roa es prácticamente Rd. Ros: Resistencia de salida del sistema. Ahora colocamos en la salida del transistor una resistencia de carga, el circuito equivalente sería similar al anterior, con esto analizaremos las características de esta monoetapa del transistor. En primer lugar calcularemos la ganancia de corriente del amplificador.
AI= Io= Ic AI = hfe. En segundo lugar calcularemos la ganancia de corriente del sistema. Ais =
Ais =
Ais = Ai.
En tercer lugar calcularemos la ganancia de tensión.
La Rd es el paralelo entre la resistencia del colector (Rc) y la resistencia de carga (Rl). Vo= - gm. V. Rd Av= Vo/V Av= - gm. Rd En cuarto lugar calcularemos la ganancia de tensión del sistema. Avs = Vo/Vs. Avs = Avs = Av. Emisor Común excitado con fuente de corriente: Su análisis estático es similar a la configuración emisor excitado como un generador de tensión, lo único que varía es en análisis dinámico. En el análisis dinámico la etapa de salida es similar al anterior estudio, lo que varia es la resistencia entrada del circuito. Analizaremos el siguiente circuito
Mostraremos el siguiente circuito equivalente.
Sabemos que Ris = Rs//Ria. La configuración de Emisor común presenta altas ganancias de tensión y corriente y por consiguiente alta ganancia de potencia. Su resistencia de entrada posee un valor medio de 2KΩ. La señal de salida esta invertida respecto de la señal de entrada.
Configuración Base Común: Analizaremos a continuación el comportamiento estático y dinámico de un transistor cuya configuración es Base Común (BC). Se caracteriza por tener baja impedancia de entrada , no presenta ganancia de corriente pero si de tensión y sobre todo tiene grandes aplicaciones en circuito de alta frecuencia. Ilustraremos el siguiente circuito.
Realicemos el estudio del circuito en corriente continua, entonces el circuito nos queda de la siguiente manera.
Aplicando el principio de Thevenin podemos aun simplificar el circuito analizado.
Vbb= Vcc. Rb= R1//R2. Para obtener la corriente del colector (Icq) y la tensión colector emisor (Vceq), debemos analizar la malla entrada y salida del transistor, similar a la configuración de emisor común.
Análisis Dinámico: En el siguiente grafico mostraremos el circuito del transistor asumiendo que las reactancias capacitivas son un cortocircuito y las fuentes de alimentación de corriente continua se anulan y luego observaremos el circuito equivalente, para realizar un estudio más detallado del mismo.
Circuito equivalente de la configuración Base Común.
Planteamos esta ecuación debido a que está alimentando junto a un generador de tensión, como sucedió en la configuración emisor común, entonces la configuración para la base común nos queda de la siguiente manera. V1= V + V´. Ie = (1+ hfe). Ib. V1= Rbe.Ib + Rb.Ib Despejando las 2 últimas ecuaciones nos queda la siguiente fórmula: V1 = Ie. Hib = Ahora realizamos el mismo circuito equivalente reemplazando el generador de tensión gm. V por un generador de corriente.
Comparando los 2 últimos circuitos equivalentes obtendremos las siguientes relaciones. -gm. V = hfb. Ie Sabemos que V = Ie. -gm. Ie . Como hfe=gm.rbe Hfb= Hob= hoe/ 1+hfe Ro = 1/hob
Ri=hib = Ria = Re//Ri Roa= Ro//Rc Ros= Roa//Rl Ganancia de Corriente del transistor base común. Ai=Io/Ie
Ic = -hfb.Ie Io = - hfb.Ie.
Ai = -hfb. Ganancia de tensión del transistor. Rd = RC//Rl. Hib = 1/gm. VO= gm.V.Rd Av = Vo/V = gm.Rd. Ganancia de corriente del sistema. Ais = Io/I. Ais = Ganancia de tensión del sistema. Avs = Vo/Vs. Avs =
Base Común excitada con un generador de Corriente:
Ris = Rs//Ria. Ria = Re//Ri. Con respecto a las ganancias de tensión no se produce ningún, salvo las ganancias de corriente del sistema.
Ais = Io/Is. Ais = Las conclusiones que podemos obtener son las siguientes: 1- La impedancia de entrada es baja. 2- La impedancia de salida es media similar a la configuración emisor común. 3- No posee ganancia de corriente. 4- La ganancia de tensión es alta como la configuración emisor común. 5- Tiene muchas aplicaciones prácticas en sistemas de alta frecuencia funcionando como un sistema de blindaje (aísla una etapa con la otra).
Configuración Colector Común: Analizaremos dos formas de construir un colector común, enunciaremos las ventajas y desventajas de ambos dispositivos. Circuito 1:
Circuito 2:
El circuito numero 1 podemos asegurar que posee una mayor impedancia de entrada que el circuito numero 2, pero el punto q de polarización varia debido al embalamiento térmico que sufre la Rb. En cambio el circuito 2 su impedancia de entrada es menor con respecto al circuito 1 pero su punto de polarización es más estable, debido al resultado del paralelo entre R1 y R2. El comportamiento estático es similar a las anteriores configuraciones (Icq y Vceq se plantea las mallas de entrada y salida). Ambos circuitos comporten el mismo comportamiento dinámico, a continuación haremos dicho análisis.
Análisis Dinámico:
Planteamos el circuito equivalente.
El colector común e o conoce como circuito seguidor, no posee ganancia de tensión debido a que sus formas de ondas están en fase, tanto Vs como Vo. Sabemos que I, I´ e Ib son del orden del micro ampere (μa), mientras que la corriente que circula por la resistencia dinámico se encuentra en el orden mili ampere, circulando la corriente Ie. La tensión de salida es Vo = Rd.Ie =Rd. (1+hfe).Ib Entonces podemos plantear el circuito en función de la corriente de base, manteniendo inalterado la tensión de salida Vo. La resistencia de entrada del transistor nos queda de la siguiente manera: RI = hie + Rd (1+hfe). Ria = Rb//Ri. Ris = Rs + Ria. Ganancia de Tensión: Av = Vo/V1. Av =
≤ 1.
Ganancia de Tensión del sistema: Avs = Vo/Vs. Avs =
Para hallar la ganancia de corriente se puede desdoblar Rd.
AI = Io/Ib. Io = Ie . Ie = (1+hfe).Ib Io = (1+hfe) . Ganancia de corriente del sistema. Ais = Io/I Ais =
En la siguiente figura calculamos la resistencia de salida del Colector Común.
Roa = Ro//Re. Ros = Roa//Rl. Planteamos el circuito en función de la corriente de base.
Para obtener la resistencia de salida Ro, debemos tener en cuenta el circuito anterior, entonces el circuito nos queda. Multiplicamos I, I´ e Ib por (1+hfe). Dividimos Rs, Rb, hie y Rd (1+hfe) por (1+hfe).
Desdoblamos la resistencia dinámica y nos queda el siguiente circuito.
Ro = hib + (Rb/hfe // Rs/hfe) = hib + r/hfe Donde r = Rb//Rs Sacamos la siguiente conclusión la impedancia de salida es pequeña, no posee ganancia de tensión pero si de corriente. Se caracteriza por tener una impedancia elevada en la entrada. Colector común con excitación de corriente:
Ais = Ais = Ai . Ris = R//Ri. R = Rs//Rb.
Circuito bootstrap: Como se ha visto, la Resistencia de entrada del amplificador con configuración colector común (Ria) está limitado por Rb. Si se desea un valor elevado de Ria, Rb deberá ser alta, lo cual atenta con respecto a la estabilidad del punto Q. Para obtener ambas cosas, es decir, Ria elevada y buena estabilidad del punto q recurrimos al circuito que demostraremos a continuación.
Análisis Estático:
Vth = Vcc. Rb = R1// R2. Icq = Vceq = Vcc – Icq. Re Análisis Dinámico: Rd= Re//Rl. Rb = R1//R2. Llamamos Rb´= Rb//Rd.
Planteamos el circuito equivalente.
Ib = I. Hfe. Ib = hfe. = I. Podemos definir como hfe´=hfe. Ib/I Hfe´=hfe. Hie´= hie//R3.
Ria = hie´+ Rd´.hfe Ria = (hie//R3) + (Rb//Rd).hfe. Ri = hie + Rd.hfe.
Configuración Re sin puentear: Analizaremos la siguiente configuración.
Analisis Dinamico:
Donde Rb =R1//R2. El circuito equivalente de un Re sin puentear es el siguiente.
A continuación subdividimos el generador controlado en dos generadores, como se observa en el siguiente figura.
Se ha aislado asi el circuito original en dos partes: una de entrada y la otra de salida. La primera se identifica con un colector común y la segunda se asemeja a la malla de salida de un emisor común. Ri = hie+ Re (1+hfe) Ria = Rb//Ri. Ris = Ria + Rs. Ro= . Roa= Rc Ros = Rc//Rl = Rd
Ganancia de tension del amplificador. Av= Vo/V1. VO = -hfe.Ib.Rd. V1 = Ib.Ri. Av = -hfe. Como hfe=gm.rbe Av = -gm.Rd.Rbe/Ri. Av = -gm.Rd.Hie/Ri. Ganancia de tensión del sistema. Avs = Ganancia de corriente del transistor. Ai= Io/Ib. Io = Ic . Ai = hfe. Ganancia de corriente del sistema. Ais =
