Electrónica Básica 3. Análisis Circuitos Electrónicos Básicos. Transistores
Análisis Circuitos Transistores
Electrónicos
Básicos.
Objetivos específicos: • Explicar el fundamento de los distintos tipos de transistores • Distinguir sus características de funcionamiento. • Analizar circuitos con transistores transistores BJT , FET y MOSFET en en C.C. • Análisis de pequeña pequeña • Analizar las hojas de características características físicas de los dispositivos dispositivos (Circuito Integrado).
INDICE 3.1. Circuitos con transistores, amplificadores de una etapa. a.
Seguidores de Emisor.
b.
Margen Dinámico.
c.
Respuesta en frecuencia.
3.2. Amplicadores multietapa. 3.3. Familias lógicas.
Introducción a los Transistores Contenidos: 1.
2.
3.
Conceptos básicos de transistor bipolar. Características del Transistor Bipolar • Recta de Carga Estática. • Circuitos de Polarización de transistores BJT. • Ejemplos. • Conceptos básicos de transistor JFET. Características del Transistor JFET. • Recta de Carga Estática. • Circuitos de Polarización de transistores JFET. • Ejemplos. • Amplificadores con Transistores Modelos de pequeña señal (parámetros H) • Modelo de BJT en pequeña señal. • Análisis DC. • Análisis AC. • Ejemplos de amplificadores • • • • •
Par Dalington. Amplicadores multietas. Otros
Respuesta en frecuencia (Diagrama de Bode)
Características del Transistor Bipolar Para la utilización de un transistor es necesario conocer:
el tipo de encapsulado,
el esquema de identificación de los terminales y
los valores máximos de tensiones, corrientes y potencias (dependiente de la temperatura) que no debemos
sobrepasar
para
no
destruir
el
dispositivo. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.
VCB≈0V
Características del Transistor Bipolar NPN
1. 2.
3.
4.
PNP
Zonas de funcionamiento del transistor bipolar: ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente). SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamente nulas (y en especial Ic). ACTIVA INVERSA: los terminales colector y emisor se intercambian, es decir, el emisor hace la función de colector y viceversa. Las curvas eléctricas son muy similares a las indicadas en la figura aunque las prestaciones del transistor sufren una gran disminución al carecer de simetría. El efecto más importante es la disminución de la ganancia en corriente en continua que pasa a tener valores altos (p.e., ßF=200) en la región directa lineal a valores bajos (p.e., ßI=2) en la región inversa lineal.
Características del transistor Bipolar Unión de emisor
Unión Colector
Modo de operación
Características
Directa
Inversa
VBE comprendida entre 0.4 y 0.8 V Activa directa βF=αF/(1- αF), βF≈hFE IC/IB
Inversa
Directa
Activa inversa
Inversa
Inversa
Directa
Directa
βF muy bajo
VBE y VBC tiene tensiones Corte inferiores a 100mV (≈0V), Corrientes Ie y Ic muy bajas VCE(sat)= VBE (sat) - VBC (sat) Saturación VCE(sat)=0.1 ó 0.2 V VBE (sat) ≈0.8 , βF (sat) < βF
Características del Transistor Bipolar Corrientes en un transistor bipolar:
I E = I B + I C
con
Modelo de Ebers-Moll
V BE V T
I E = I ES ( e
V CE =V CB +V BE para NPN V EC =V BC +V EB para PNP
V BC
− 1 ) − α R I CS ( e
V T
−1)
V BC de saturación V yT αF factor de CS de inyección de portadores
V BE corrientes V T
Donde IES y ICS son I C =y α αF I ES ( fracción e 1 ) − I − defecto la R minoritarios.
(e
α F I ES = α R I CS
−1)
Recta de Carga Estática Funcionamiento en la zona lineal
Saturación
Punto de trabajo en CC Zona lineal
I B =
V CC − V BE R B
para V BE = 0.7 V
I CQ = hFE I BQ V CEQ = V CC − I CQ RC Corte
Potencia de disipación estática máxima PCmax I B << I C C CE V BE << V CE
PC = I BV BE + I C V CE ≈ I V
Circuitos de Polarización de transistores BJT Polarización de Corriente de base
I B =
V CC − V BE R B + ( 1 + hFE ) R E
I C = hFE I B
⎛
V CE = V CC − I C ⎜⎜ RC +
⎝
1 + hFE ⎞ R E ⎟⎟ hFE ⎠
Si I B <<< I C para hFE >>> 1 entonces I B =
V CC − V BE R B + hFE R E
V CE = V CC − I C ( RC + R E )
Polarización de Tensión de base constante I B =
V BB − V BE
R B + ( 1 + hFE ) R E
I C = hFE I B
⎛
V CE = V CC − I C ⎜⎜ RC +
⎝
1 + hFE ⎞ R E ⎟⎟ hFE ⎠
Circuitos de Polarización de transistores BJT Autopolarización I B =
V BB − V BE R B + ( 1 + hFE ) R E
I C = hFE I B
⎛
V CE = V CC − I C ⎜⎜ RC +
⎝
1 + hFE ⎞ R E ⎟⎟ hFE ⎠
para R B = R B1 R B 2 y V BB =
R B 1V CC R B 1 + R B 2
Polarización de Colector- base I B =
V CC − V BE R B + ( 1 + hFE )( RC + R E )
I C = hFE I B V CE = I B R B + V BE
Conceptos básicos sobre amplificadores El amplificador es el bloque funcional más importante de un sistema electrónico Un amplificador produce una salida con la misma forma que la señal de entrada pero amplificada
v0 (t ) = Av ⋅ vi (t )
Donde Av es la ganancia en tensión del amplificador Vi(t) la señal de entrada, V0(t) la señal de salida y RL la resistencia de carga
Modelos de amplificador
4 modelos: 1) Modelo de amplificador de tensión 2) Modelo de amplificador de corriente 3) Modelo de Amplificador de transconductancia 4) Modelo de amplificador de transresistencia Los mas habituales son los dos primeros
Tipos de Amplificadores
Entra
Sale
[Avo]
Ri
Ro
Modelo Ri
Tensión
V
V
AV=V/V
∞
0
Ro + _ Ave
Ri
Corriente Transconductancia Transimpedancia
I
I
AI=I/I
0
Ro
∞
Aie
Ri
V
I
AG=I/V
∞ ∞
Ave
Ri
I
V
AZ=V/I
Ro
0
0
Ro + _ Aie
Modelo de amplificador de tensión
vi = vs
Ri
vO = AVO vi
Ri + Rs
R L R L + RO
Se modela el amplificador usando una fuente de tensión controlada por tensión Ri es la resistencia de entrada, esta es la resistencia que presenta el amplificador entre sus dos bornes de entrada R0 es la resistencia de salida, esta en serie con la fuente controlada así se tiene en cuenta la reducción de tensión que se produce al suministrar corriente a la carga Amplificador ideal de tensión: Ri = ∝ y R0 = 0 AV0 es la ganancia de tensión en circuito abierto, sino se tiene la carga conectada En ese caso
v0 = Av 0 ⋅ vi
v0
Ganancia de tensión Av =
vi
Ai =
Ganancia de corriente
Av = Av 0
R L R0 + R L
i0 ii
Se puede expresar en función de la ganancia de tensión
ii =
vi Ri
i0 =
v0
v0
Ai =
R L
Ganancia de potencia
G=
i0 ii
=
v R R R L = 0 i = Av i vi vi R L R L Ri
P0 Pi
Donde Pi es la potencia que entrega la fuente de señal a los terminales de entrada
P0 = V 0 ⋅ I 0
P0 es la potencia de salida
G=
P0 Pi
=
V 0 ⋅ I 0 V i ⋅ I i
= Av ⋅ Ai = ( Av )
2
Ri R L
Pi = V i ⋅ I i
Aplificadores en cascada
Av = Av1·Av2
Aplificadores en cascada
Av = Av1·Av2
Modelo de Amplificador de Corriente
Aisc es la ganancia en corriente en cortocircuito Al usar R0 en paralelo con la fuente de intensidad hacemos que la intensidad i0 que proporciona el amplificador dependa del valor de la carga
Si cortocircuitamos la salida entonces no pasaria intensidad por R0 y i0 = Aisc·ii
Paso del modelo de tensión a intesidad
ii =
vi
i0 SC =
Ri
Aisc =
i sc 0 ii
= Av 0
R i R 0
v0 R0
Fuentes de alimentación
Proporciona potencia a los circuitos internos de los amplificadores
Potencia proporcionada: Ps = V AA·I A + VBB· IB
Esquema de flujo de potencia
Rendimiento: η =
P0 Ps
×100%
Saturación del amplificador La salida nunca puede exceder los valores de las fuentes de alimentación.
Para evitar la distorsión debe cumplirse:
L− AV
≤ V i ≤
L+ AV
Característica real del amplificador
La linealidad del amplificador se limita a un rango concreto: 1.- Polarización, aplicar tensiones dc para situarnos en Q (pto. de polarización). 2.- Superponer una tensión pequeña y variable.
Ganancia en función de la frecuencia
Ganancia en decibelios : 20 log AV ;
20 log A I ;
10 log AP ;
Circuito para prevenir el acoplamiento en continua
Solo se amplifica la señal alterna
Ancho de banda B = f H - f L
Frecuencias de corte
Ej. Amplificador inversor (Emisor Común)
t
Modelo equivalente de p. señal del BJT
Cuadripolos
Configuraciones de amplificadores con transistores BJT
Emisor Común
Colector Común
Base Común
Características del Transistor de Unión de Efecto de Campo (JFET)
Para la utilización de un transistor es necesario conocer:
el tipo de encapsulado,
el esquema de identificación de los terminales y
los valores máximos de tensiones, corrientes y potencias (dependiente de la temperatura) que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo.
Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.
Características Transistor JFET
del
La polarización de un JFET exige que las uniones p-n estén inversamente polarizadas. En un JFET de canal n la tensión de drenador debe ser mayor que la de la fuente para que exista un flujo de corriente a través de canal. Además, la puerta debe tener una tensión más negativa que la fuente para que la unión p-n se encuentre polarizado inversamente. Ambas polarizaciones se indican en la figura.
Zonas de funcionamiento del transistor JFET: 1.Zona Óhmica o Lineal: El transistor se comporta como una resistencia variable dependiente de VGS. Los fabricantes proporcionan r DS(0n) para diferentes valores de V GS. 2.SATURACIÓN: En esta zona el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente dependiente de V GS. 3.CORTE: el transistor no conduce I D=0A. VGS(off) ó Vp es negativa y se le llama en estas condiciones tensión de estrangulamiento o pinch off . 4.Zona de Ruptura: se produce cuando entre los terminales del transistor se somete a una alta tensión provocando la ruptura por avalancha a través de la unión de puerta. Los fabricantes indican VGS con la puerta cortocircuitada con la fuente (BV DSS) su valor está comprendido entre 20 a 50 V.
Características del transistor JFET Modo de operación
Características Comportamiento resistencia variable controlada por V GS, Rd
Óhmica o Lineal
Zona de Ruptura Corte
3 ⎡ 3 ⎞⎤ ⎛ ⎛ 2 ⎞ ⎜ − r ( on ) 1 2 V V V ⎢V − ⎜ DS GS ⎟ − GS 2 ⎟⎥ = Rd = DS r ( on ) DS DS ⎟ ⎜ V GS 3 ⎜ ⎜⎝ I D ⎢ V P ⎠⎟ V P ⎟⎥ 1− ⎢⎣ ⎝ ⎠⎥⎦ V p Tensión de ruptura entre drenador y fuente con la puerta cortocircuitada BVDSS, 20V ≤ V P − V GS V GS > V P , V GS − V P ≈ V DS ≤ BV V DS DSS ≥ 50V
ID=0A, Rd=∞, | VGS|>| VP | Amplificación (fuente de corriente controlada por VGS) ID independiente VDS. IDSS (VGS=0V) Corriente de saturación 2
Saturación
⎛ V GS ⎞ ⎟⎟ I D = I DSS ⎜⎜ 1 − ⎝ V P ⎠ V GS > V P y V DS ≥ V GS − V P
Recta de Carga Estática de JFET Funcionamiento en la región de saturación:
⎛
I D = I DSS ⎜⎜ 1 −
V GS ⎞
2
⎟⎟ ⎝ V P ⎠ V GS > V P y V DS ≥ V GS − V P
o V DS > V P − V GS
Principales Aplicaciones de JFET APLICACIÓ N
PRINCIPAL VENTAJA
USOS
Aislador o separador (buffer)
Impedancia de entrada alta y de salida baja
Uso general, equipo de medida, receptores
Amplificador de RF
Bajo ruido
Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones
Baja distorsión de intermodulación
Receptores de FM y TV, equipos para comunicaciones
Facilidad para controlar ganancia
Receptores, generadores de señales
Baja capacidad de entrada
Instrumentos de medición, equipos de prueba
Ausencia de deriva
Amplificadores de CC, sistemas de control de dirección
Resistor variable por voltaje
Se controla por voltaje
Amplificadores operacionales, controlas de tono
Amplificador de baja frecuencia
Capacidad pequeña de acoplamiento
Audífonos para sordera, transductores inductivos
Mínima variación de frecuencia
Generadores de frecuencia patrón, receptores
Pequeño tamaño
Integración en gran escala, computadores, memorias
Mezclador Amplificador con CAG Amplificador cascodo Troceador
Oscilador Circuito MOS digital
órganos electrónicos,
Circuitos de Polarización de transistores JFET Polarización Simple VDD
⎛ V GS ⎞ ⎟⎟ I D = I DSS ⎜⎜ 1 − ⎝ V P ⎠ V GS = −V GG VDD
Autopolarización
2
V DD = I D R L + V DS ⎛ V GS ⎞ ⎟⎟ I D = I DSS ⎜⎜ 1 − ⎝ V P ⎠ V GS = − I D RS
2
V DD = I D ( R L + RS ) + V DS
Circuitos de Polarización de transistores JFET Ejemplo VDD
⎛ V ⎞ I D = I DSS ⎜⎜ 1 − GS ⎟⎟ ⎝ V P ⎠ V GS = − I D RS
2
Condicione s JFET canal n : V P < 0 y V GS < 0 , además I D ≤ I DSS 2
⎛ I R ⎞ I D = I DSS ⎜⎜ 1 − D S ⎟⎟ ,V GS igual signo que V P V P ⎠ ⎝ ⎛ 2 I D RS I D 2 RS 2 ⎞ ⎟ , + I D = I DSS ⎜ 1 − 2 ⎜ V P V P ⎠⎟ ⎝ V P
2
2 2 ⎛ V P 2 RS I DSS V P ⎞ V P 2 ⎟ I D − I D ⎜ 2 ⎜ R I + 2 R ⎟ + R 2 = 0 , I D = S ⎠ S ⎝ S DSS
+2
V P
RS
V P
±
4
4 2
RS I DSS
2
Para I DSS = 4 mA , RG = 1 M Ω , Rs = 1K Ω y V P = −2V I D1 = 4 mA ⇒ V GS = −4V V GS > V P respuesta falsa I D 2 = 1mA ⇒ V GS = −1V V GS < V P respuesta verdadera
Circuitos de Polarización de transistores JFET Ejemplo VDD
⎛ V GS ⎞ ⎟⎟ I D = I DSS ⎜⎜ 1 − ⎝ V P ⎠ V GS = V GG − I D RS
2
Condiciones JFET canal n : V P < 0 y V GS < 0 , además I D ≤ I DSS 2
⎛ I D RS − V GG ⎞ ⎟⎟ ,V GS igual signo que V P I D = I DSS ⎜⎜ 1 − V P ⎝ ⎠ ⎛ 2( I D RS − V GG ) I D 2 RS 2 − 2 I D RS V GG + V GG 2 ⎞ ⎟ , + I D = I DSS ⎜ 1 − 2 ⎜ ⎟ V V P P ⎝ ⎠ 2 2 ⎛ V P 2 V P + V GG ⎞ V P + V GG + 2V GGV P 2 ⎟+ I D − I D ⎜ 2 =0 2 ⎜ R I + 2 R ⎟ RS S ⎝ S DSS ⎠ Para I DSS = 4 mA , RG = 1 M Ω , RS = 1K Ω , V GG = 1 ,9V y V P = −2V I D = 2 ,365 μ A
Características del Transistor MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS)
Diferencias con los JFET:
el tipo: de acumulación (enhancement) o de enriquecimiento y de deplexion (deplexion),
La tensión mínima para crear ese capa de inversión se denomina tensión umbral o tensión de threshold (VT) y es un parámetro característico del transistor. Si la V GS < VT, la corriente de drenador-fuente es nula; valores típicos de esta tensión son de de 0.5 V a 3 V.
El esquema de identificación de los terminales
Características del transistor NMOS
Modo de operación
Características Comportamiento resistencia variable controlada por V GS
Óhmica o Lineal
V ⎤ W ⎡ I D = k ⎢(V GS − V T )V DS − DS ⎥ L ⎣ 2 ⎦ Tensión de ruptura entre drenador y fuente con la puerta cortocircuitada W 0 < V DS < V V y V V k β − > = T IDGS =0A VT GS < VGS T L 2
Zona de Ruptura Corte
Saturación
Amplificación (fuente de corriente controlada por VGS) ID independiente VDS.
I D =
β
(V GS − V T )2
2 0 < V GS − V T < V DS y V GS > V T
3. Amplificadores con Transistores • Modelos de pequeña señal (parámetros H) • Modelo de BJT en pequeña señal. • Análisis DC. • Análisis AC. • Ejemplos de amplificadores • • • • • • •
Par Dalington. Amplificadores multietapas. Otros
Modelo de FET en pequeña señal. Análisis DC. Análisis AC. Respuesta en frecuencia (Diagrama de Bode)
3. Amplificadores con Transistores: Modelos de pequeña señal (parámetros {Z}, {Y}, {G}, {H})
En la práctica, el estudio de amplificadores exige previamente un análisis en continua para determinar la polarización de los transistores. Posteriormente, es preciso abordar los cálculos de amplificación e impedancias utilizando modelos de pequeña señal con objeto de establecer un circuito equivalente. Ambas fases en principio son independientes pero están íntimamente relacionadas.
Modelos de pequeña señal (parámetros {Z}, {Y}, {G}, {H}) Los parámetros {H} o h o híbridos son los que mejor caracterizan el comportamiento lineal de pequeña señal de un transistor bipolar. Estos parámetros relacionan la V1 e I2 con la I1 y V2 mediante la siguiente ecuación V 1 = hi I 1 + hr V 2 I 2 = h f I 1 + hoV 2 donde hi =
V 1 I 1
hr = h f = ho =
V 1 V 2
V 2 =0
I 1 =0
I 2 I 1 I 2 V 2
V 2 =0
I 1 =0
= Re sistencia de entrada con salida en cortocircuito = Ganancia inversa de tensión con entrada en circuito abierto = Ganancia directa de corriente con salida en cortocircuito = Conduc tan cia de salida con entrada en circuito abierto
Modelos de pequeña señal: parámetros {H}
Análisis de amplificadores de pequeña señal con parámetros {H}
Amplificador básico
Amplificador básico con el modelo de parámetros h
Existen cuatro parámetros importantes que van a caracterizar completamente el circuito completo: ganancia en corriente, impedancia de entrada, ganancia en tensión e impedancia de salida.
Ganancia de corriente. Se define la ganancia de corriente de un circuito, AI, como la relación entre la intensidad de salida e intensidad de entrada, es decir,
A I =
I L I 1
I 2
=−
V 2 = − I 2 Z L
}= 1 + h Z h f
o
L
Impedancia de entrada. Se define la impedancia de entrada del circuito, Zi, como la relación entre la tensión y corriente de entrada. Resolviendo el circuito de entrada se demuestra que
Z i =
I 1
{
donde
I 2 = h f I 1 + hoV 2
V 1 I 1
= hi + h f A Z i L = hi −
h f hr 1
+ ho
Z L Ganancia de tensión. Se define la ganancia en tensión, AV, como la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada. Como se demuestra a continuación, la A V se puede expresar en función de la A I y la Zi, deforma que
Av =
V 2 V 1
=
V 2 I 2 I 1 I 2 I 1 V 1
=
V 2 I 2 I 1 I L I 1 V 1
= Z L A I
1 Z i
= A I
Z L Z i
Impedancia de salida. Se define la impedancia de salida, Z o, vista a través del nudo de salida del circuito lineal como la relación entre la tensión de salida y la corriente de salida, supuesto anulado el generador de entrada y en ausencia de carga (ZL= ∞). Se demuestra que
Z 0 =
V 2 I 2
V S =0 , R L =∞
= ho −
1 h f hr Rs + hi
Modelos:
Modelo equivalente de tensión
Modelo equivalente de intensidad
Donde AVS = A IS =
V 2
=
V 2 V 1
V S
I L I S
V 1 V S
=
I L I 1 I 1 I S
Z L
AVS = A IS
Rs
= AV
= A I
Z i Z i + Rs Rs
Z i + Rs
y
quedando
Modelo híbrido de un transistor bipolar : En un amplificador de transistores bipolares aparecen dos tipos de corrientes y tensiones: continua y alterna. La componente en continua o DC polariza al transistor en un punto de trabajo localizado en la región lineal. Este punto está definido por tres parámetros: ICQ, IBQ y VCEQ. La componente en alterna o AC, generalmente de pequeña señal, introduce pequeñas variaciones en las corrientes y tensiones en los terminales del transistor alrededor del punto de trabajo. Por consiguiente, si se aplica el principio de superposición, la I C, IB y VCE del transistor tiene dos componentes: una continua y otra alterna, de forma que
Donde I C = I CQ + iC I B = I BQ + ib V CE = V CEQ + vce
Modelo NPN
Modelo PNP
a) Conversión de parámetros híbridos, b) Valores típicos de los parámetros h
Ecuaciones características de los amplificadores básicos sin R B
Ecuaciones características de los amplificadores básicos con R B
Análisis de un amplificador en emisor común con resistencia de emisor. a) Circuito equivalente en alterna, b) circuito de pequeña señal con hre=0. Tabla con las características del amplificador con c) hre=hoe=0 y con d) hre=0.
1. 2.
Análisis: Análisis en CC, obtener el punto de trabajo. Análisis en AC en frecuencias medias 1. 2. 3.
Sustituir al amplificador por alguno de los tres circuitos equivalentes posibles en parámetros h. Los condensadores de acoplo y desacoplo se consideran perfectos cortocircuitos en alterna. El positivo de la fuente de tensión de continua, Vcc, corresponde a masa o tierra de señal, ya que la impedancia interna en CA de una fuente de tensión es cero.
Ejemplo
Ejemplo de análisis de un amplificador básico. a) Esquema del amplificador completo; b) Circuito equivalente en continua; c) Circuito equivalente en alterna; d) Circuito equivalente de pequeña señal.
1. 2. 3.
Modelo simplificado: Se desprecian los parámetros hoe y hre, es decir, hoe=hre=0. Con esta aproximación a la entrada se tiene R B||hie~hie. Se desprecia el parámetro hre, (hre=0) y se mantiene la aproximación anterior RB||hie~hie. El circuito es idéntico al de la figura incluyendo hoe. Sin aproximaciones
1. 2. 3.
Modelo simplificado: Se desprecian los parámetros hoe y hre, es decir, hoe=hre=0. Con esta aproximación a la entrada se tiene RB||hie~hie. Se desprecia el parámetro hre, (hre=0) y se mantiene la aproximación anterior RB||hie~hie. El circuito es idéntico al de la figura incluyendo hoe. Sin aproximaciones
Ejemplos de amplificadores: Par Dalington Un par Darlingt Darlington on se comporta comporta a efectos prácticos prácticos como un único único transistor transistor de altas prestaciones las cuales dependen de las características individuales de cada uno de los transistore transistores. s. Por ejemplo, ejemplo, el transistor transistor Darlington Darlington MPS6724 de Moto Motoro rola la tiene tiene una una hFE entre 4.000 y 40.000. ¡
Modelo NPN
Modelo PNP
Ejemplos de amplificadores: Par Dalington Modelo NPN
Análisis en DC Desde el punto punto de vista vista externo, externo, un un transistor transistor Darlington Darlington tiene unas corrientes de entrada I B, IC e IE (IE=IB+IC) y la tensión entre la base y el emisor es de 2VBE. Si Q1 y Q2 se encuentran en la región lineal, la relación entre ambas corrientes, es decir, la h FE del transistor, se puede expresar en función de h FE1 y hFE2. Para ello, hay que resolver el siguiente sistema de ecuaciones:
I C = I C 1 + I C 2 = hFE 1 I B 1 + hFE 2 I B 2
I B = I B1 I E 1 = I B 2 = hFE =
I C I B
I C 2 hFE 2
=
I E 2 1 + hFE 2
=
I E 1 + hFE 2
= hFE 1 + (1 + hFE 1 )hFE 2 ≈ hFE 1hFE 2
Ejemplos de amplificadores: Par Dalington Modelo NPN
Ambos transistores no se pueden considerar iguales. Las corrientes de polarización de Q 1 son muy bajas comparadas con las de Q 2 debido a que I E1=IB2; la IC del transisto transistorr Darlington Darlington es prácticam prácticamente ente la I C2. El hecho de que Q 1 opere con corrientes corrientes muy muy bajas hace hace que las corrient corrientes es de fuga de este transistor transistor no sean despreciables y sean amplificadas por Q 2, resultando circuitos más inestables. inestables. Por Por ello, la conexión conexión Darlington Darlington de tres o más transistor transistores es resulta resulta prácticamente inservible. Para solucionar en parte este problema, se utilizan circuitos de polarización como los mostrados
Circuitos para estabilizar la configuración configuración Darlington
Ejemplos de amplificadores: Par Dalington
Modelo NPN
Modelo de pequeña señal Para simplificar se desprecian hre y hoe1.
hie =
V be
h fe =
ic
ib ib
=
V be
= {V be = ib1hie1 + ib2hie2 = ib1hie1 + ib1 (1 + h fe1 )hie2 } = hie1 (1 + h fe1 )hie2
ib1
{
ic =h fe1ib1 +h fe 2ib 2
V =0 = i
hoe = hoe2
ce
b 2 =ib 1
}
(
(1+h fe1 )=ib (1+h fe1 ) = h fe1 + h fe2 1 + h fe1
)
Ejemplos de amplificadores: Multietapa
Un amplificador multietapa es un amplificador constituido por un conjunto de amplificadores básicos conectados en cascada. La técnica de análisis de este amplificador es sencilla ya que se reduce básicamente a analizar un conjunto de etapas básicas y a partir de sus modelos equivalentes (tensión o corriente) obtener el modelo equivalente del amplificador completo. El acoplo entre las etapas básicas puede ser realizado básicamente de dos maneras: directamente o acoplo DC y a través de un condensador. El primero exige estudiar conjuntamente la polarización de cada una de las etapas lo que complica su análisis en continua. Sin embargo, el amplificador multietapa carece de frecuencia de corte inferior. El acoplo a través de un condensador aísla en DC las etapas básicas a costa de introducir una frecuencia de corte inferior. Este último acoplo solo es usado en aquellos amplificadores realizados con componentes discretos.
Ejemplos de amplificadores: multietapa
AV =
V o V i
=
vo1 vo 2 vo vi vi 2 vi 3
Z i 2
=
Z i 2 + Z o1
AV 1
14 4 24 4 3
Z i 3 Z i 3 + Z o 2
Adaptación entre Etapa 1− 2
AV 2
R L R L + Z o 3
AV 3
14 4 244 3 14 4 24 4 3
Etapa 2 − 3
Etapa 3 − R L
Un amplificador multietapa en tensión debe tener altos valores de ganancia en tensión por etapa (Av1, Av2, Av3) y un buen acoplo de impedancias para que no caiga la ganancia global en tensión. Para ello es condición que verifique: Z i 2 >> Z o1 , Z i 3 >> Z o 2 y R L >> Z o 3 obteniendo idealmente AV → ∞ , Z i → ∞ y Z o → 0 AV S =
V o V S
=
Z i 1 Z i 1 + RS
AV para Z i 1 >> RS AV S → ∞
para RS >> Z i 1 AV S → 0
Ejemplos de amplificadores: multietapa
A I =
io
=
io1 io 2 io
ii
Z o1
=
Z i 2 + Z o1
ii ii 2 ii 3
A I 1
142 4 43 4
Z o 2 Z i 3 + Z o 2
Adaptación entre Etapa 1− 2
A I S =
io is
=
RS RS + Z i 1
A I 2
Z o 3 R L + Z o 3
A I 3
14 4 24 4 3 142 4 43 4
Etapa 2 − 3
Etapa 3 − R L
A I
Un amplificador multietapa en corriente debe tener altos valores de ganancia en corriente por etapa (AI1, AI2, AI3) y un buen acoplo de impedancias para que no caiga la ganancia global en corriente. Para ello es condición que verifique: Z i 2 << Z o1 , Z i 3 << Z o 2 , R L << Z o 3 RS >> Z i 1 obteniendo idealmente A I → ∞ , Z i → ∞ y Z o → ∞
Ejemplos de amplificadores: Par Dalington
Modelo de pequeña señal FET El circuito equivalente de pequeña señal de un transistor FET se puede obtener por métodos análogos a los utilizados en transistores bipolares. Sin embargo, al ser dispositivos controlados por tensión, el modelo de parámetros {Y}, ya que relacionan las corrientes de salida con tensiones de entrada .
Factor de admitancia gm. (Se trabaja con las ecuaciones del FET en saturación) gm = gm =
ΔV GS
V DSQ
dI D dV GS
V DSQ
≅
I D 2 − I DS 1
V GS 1 − V GS 2
V DSQ
=
id v gs
V DSQ
2 I DSS ⎛ V GS ⎞ 2 ⎜⎜ 1 − ⎟⎟ = − =− I D I DSS V P ⎝ V P ⎠ V P
Resistencia de salida o de drenador r d.
r d =
Δ I D
ΔV DS Δ I D
V GSQ
≅
V D 2 − V DS 1 I D1 − I D 2
V GSQ
=
Variación de gm para un JFET típico
vds id
V GSQ
Factor de amplificación μ μ =
ΔV DS ΔV GS
=
Δ I D ΔV DS ΔV GS Δ I D
= g m r d
Variación de r d para un JFET típico
