El Transistor como Ampli cador

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1 1 El Transisor como Ampli cador R. Carrillo, J.I.Huircan Absrac La incorporación de exciaciones de corriene alerna (ca), produc en ariaciones en i B, BE, las que asu ez modi can las ariables y V CE del BJT. La incroporación de capaciores en el circuio, hace que ése se compore de disina forma para ca como para cc. De esa forma se iene una reca de carga para cc y ca. Para asegurar una ampli cación lineal y máxima excursión simérica se debe colocar el puno en el cenro de la reca de carga de ca. Index Terms Ampli cadores Transisorizados I. Inroducion Una de las aplicaciones más ípicas del BJT es su uso como ampli cador de corriene alerna. Dicha aplicación consise en un sisema capaz de ampli car la señal de enrada en un facor de ganancia deerminado, que será la relación de salida sobre la enrada. En érminos de señales del olaje, se habla de ganancia de olaje A = o. Para que ese sisema funcione, el BJT debe esar polarizado en zona acia. Eso signi ca que simuláneamene conien elemenos de corriene coninua (cc) y corriene alerna (ca). En los siguienes aparados se análizan los efecos de ambas componenes y se inroducen concepos dinámicos de funcionamieno de los sisemas basados en BJT. II. Variaciones en el puno debido a exciaciones alernas Sea el ransisor polarizado de la Fig. 1a. Considerando que se encuenra en zona acia, sean los alores de, = ; i B = I B y BE = V BE mosrados en la Fig. 1b (los alores indicados son en corriene coninua). Rb I B Rc I c I B i B [ua] [ma] [V] Fig. 1. Circuio de Polarización Fija. Variación del puno. Considerando una exciación () de ipo alerna al circuio de base como lo indica el circuio de la Fig. 2a, el olaje aplicado a la junura base-emisor será ariable. Si las ariaciones son ales que el olaje V BE aumena, enonces la corriene de base I B, ambién aumena, por lo ano, I C aumena, de esa forma, la ensión I C crece P reparado en el D epo. Ing. E lécrica, U niersidad de L a Fronera. D eparam eno de Ing. E lécrica. Ver. 3.0, () i Fig. 2.. RB I B I C I B i B [ua] [ma] [V] Circuio con exciación ariable. Variaciones del puno haciendo que V CE disminuya. Si la ariación en la enrada hace disminuir el olaje V BE, enonces I C disminuye, V CE crece, como se indica en la Fig.2b. Se obsera que cada una de las ariables posee una componene coninua y una componene alerna. Considerado que el ransisor será usado como un sisema capaz de ampli car señales, el disposiio recibe corriene coninua para efecos de polarización (funcionamieno) y señales de corriene alerna, las que serán ampli cadas. Ésas deben coniir simuláneamene sin que cada una afece a la ora produciendo un funcionamieno anómalo del sisema. Una de las con guraciones ípicas ampli cadoras es el circuio de emisor común de la Fig. 3, el cual recibe una señal () que es ransmiida hacia la salida () y que además iene una fuene de polarización de corriene coninua. Fig. 3. R c Ampli cador de emisor común. Los capaciores, permien conecar la exciación con el circuio y a su ez unir el circuio con la carga, por lo que reciben el nombre de capaciores de acoplo. Esos condensadores permien la inerconexión con fuenes de señal, Cc C E RL

2 2 carga u ora eapa de ampli cación, su rol consise en bloquear las componenes de cc. Por oro lado C E (bypassed capacior) en ca, funciona como un corocircuio haciendo que el emisor sea el erminal común, desde el puno de isa de las señales. _ A. Circuios de cc y ca III. Reca de carga Alerna Dada la exisencia de componene coninua y señal alerna, se de ne el circuio de carga ane ariaciones de la señal alerna. El elemeno idóneo para acuar como separador de ales ariaciones es el capacior elecrolíico. Sea el circuio de salida de la Fig. 4 correspondiene a una con guración de emisor común. Cc Fig. 4. Eapa de salida de emisor-común. Circuio de ca. (c) Circuio de cc. La misión del capacior es ransmiir la señal ampli cada a la carga. Para al efeco su reacancia a la frecuencia de señal debe resular lo más pequeña respeco de la carga. Así, el capacior recibe el nombre de condensador de paso. Ese condensador bloquea en odo momeno las componenes de corriene coninua, pues, la reacancia del capacior iende a in nio, es decir, si X C = 1!C c, para! = 0; X C! 1 y para! 6= 0, X C! 0: Como las componenes alernas y coninuas circularán por diferenes elemenos del circuio, se esablece una red de salida para corriene coninua y ora para corriene alerna de acuerdo a la Fig. 4b-c. Eso no signi ca que son circuios disinos, sino que se comporan de disina manera, ano para cc como para ca, así se endrán dos recas de carga. Planeando la ecuación de salida en cc del circuio de la Fig. 4c, se iene (c) Fig. 5. Circuio de ca simpli cado. olaje colecor emisor respeco de dicho puno y la ariación de la corriene de colecor, enonces, la ariación de olaje esá dada por = ( jj ) = R AC (2) Donde jj = R AC será la resisencia de ca. Reescribiendo la ariación respeco del puno, se iene Finalmene = R AC ( ) (3) (4) R AC R AC La que se conoce como reca de carga alerna. Para = 0, se iene, enonces max = R AC Luego, si 0, enonces se iene que max = R AC Al dibujar las recas de carga de cc y ca, se inersecan en el puno, como se e en la Fig. 6. max R c Reca de ca max Reca de cc = Fig. 6. Inersección de la reca de carga ca con la reca de carga cc. La reca de carga esá dada por (1) Donde el érmino = C se llamará resisencia de cc. Para ca se considera el circuio de la Fig. 4b. Dada las ariaciones en orno al puno, sea ; la ariación del B. Ampli cador en emisor común con Para el ampli cador de la Fig. 3, para cc, se iene el circuio de la Fig. 7a y para ca se obiene el circuio del la Fig.7b. La ecuación de salida para cc se será CE 1 V CC 1 (5)

3 EL TRANSISTOOM O AM PLIFICADOR 3 V TH C. Máxima Excursión Simérica De acuerdo a la cura y la reca de carga de ca de la Fig. 8, las ariaciones de, pueden ir desde el puno hasa un max. Eso produce una ariación de respeco de, que puede no ser max ; la corriene no alcanza el alor máximo dado. Fig. 7. Emisor común con. En cc. En ca. max Reca de ca Donde C = Para ca se iene 1 ' ; si >> 1: Reca de cc max Luego la reca de ca será = ( jj ) = R AC (6) R AC R AC (7) Donde R AC = jj : Se obsera que la reca de carga de cc iene una pendiene menor que la reca de carga en ca. Dibujando ambas recas de carga y dibujando las ondas y, se iene. Fig. 8. Excursión de la señal de e : Para obener una excusión máxima en corriene, que permia una salida máxima de olaje en la carga, se debe colocar el puno en el cenro de la reca de carga de ca. Ese concepo se de ne como máxima excursión simérica o funcionamieno en clase A de alerna. RL Reca de ca max R cc Reca de ca R C β1 β Reca de cc max Reca de cc Fig. 9. Máxima excursión simérica. RL Así, para garanizar una ampli cación lineal y de maxima excursión simérica, se debe cumplir que Se obsera que la salida esará dada por = = ( jj ) Luego p =. = R AC (8) Considerando la reca de cc dada en (1) en el puno, enonces, 1 R AC = R AC R C =

4 4 Finalmene, se iene que = R AC C (9) La cual resula muy úil para analizar los circuios de máxima excursión simérica de salida. D. Condesador en el emisor Al exisir una resisencia en el erminal de emisor, no se puede esablecer que dicha con guración es de emisor común (noe el caso de la red de polarizacion uniersal y oras). Para permiir que el emisor sea un puno de poencial nulo, se incluye un condensador elecrolíico C E, el cual, presena una reacancia baja frene al alor de la resisencia isa en emisor, es decir, C E debe ser al que la resisencia isa desde el emisor sea nula (coro circuio), y debe ser faciliado a la frecuencia de señal. En general, en ano: C E y C C deben ser ales que: En ca se comporan como coro circuio. En cc se comporan como circuio abiero. IV. Diseño para máxima excursión simérica Example 1: Para el siguiene circuio hallar, y para máxima excursión simérica, considere una = 25 [ma], = 100 y = 10 [V ]. Deerminar el máximo olaje de salida peak. =150 Ω Así A = = 150 []. Por oro lado de acuerdo a (8) se iene que = 25 [ma] Pero de acuerdo a (9) se iene que 25 [ma] = = = = 3:75V (12) 10 [V ] 10 [V ] = R AC C 10 [V ] (13) 2 (150) Resoliendo a raés de (10) o (13) se iene = 100 [] (14) Como para el diseño de y no han sido especi cados crierios se esablecen dos formas. Usando un crierio basado en el coe ciene de esabilidad de la corriene, se iene Para S I = 5, Dado que I B = 25[mA] 100, enonces S I = 1 R B (15) R B = 400 [] (16) C E Asi se iene que = I B R B V BE (1:01) = (0:025) 400 0:7 2: = 3:32 [V ] (17) Fig. 10. Circuio ampli cador. Planeando la malla de salida en cc = R B = 600 [] = 1:2 [K] Usando el crierio basado en R B 0:1 se iene R V TH i TH R B = 10 (100) = 1 [K] = 0:25 0:7 2:525 = 3:475 [V ] Luego Fig. 11. Equialene en cc. Equialene en ca. = R B = 1:5 [K] = 2:9 [K] = ( ) (10) Así C =. Planeando la malla de salida en ca ( ) = ( ) (11) El máximo olaje de salida peak, esá dado por p = A (18) = 3:57 [V ] (19)

5 EL TRANSISTOOM O AM PLIFICADOR 5 V. Diseño por sobre y debajo de la excursión simérica Example 2: Para el circuio de la Fig. 10, diseñe para = 5 [V ], e = 25 [ma]. Planeando las ecuaciones de malla para la enrada y la salida en cc se iene V T H = R T H V BE 1 = 1 Luego Donde = I B R B V BE (1:01) = ( ) 10 [V ] = 0:025 (150 ) 5 [V ] = 0: R B 0:7 0:025 (1:01) = 50 [] Donde la reca de carga será 1 1 (21) Con C = 1 : Mediane el circuio de la Fig. 13 se deermina la reca de carga en ca, luego la ariación del olaje colecor emisor esará dada por Para el diseño de y se pueden usar los crierios adoados en el ejemplo 1. Cuál será elñ máximo olaje peak de salida sin disorsión? Para el circuio de la Fig. 10, diseñe para = 3 [V ], e = 25 [ma]. Planeando las ecuaciones de malla para la enrada y la salida en cc se iene _ R L o = 0: R B 0:7 0:025 (1:01) 10 [V ] = 0:025 (150 ) 3 [V ] Fig. 13. Seguidor de emisor en ca. De esa forma se iene = 130 [] (20) Cual será el peak máximo sin disorsión? VI. Amplificador Colecor Común Sea el ampli cador de la Fig. 12, dicha con guración se conoce como colecor comun dado que la señal esá medida respeco del colecor. Esa con guración recibe el nombre de Seguidor de Emisor. C o o C o = i E ( jj ) 1 = ( jj ) Reemplazando las ariaciones se iene 1 ( ) = ( ) A A A Donde A = 1 ( jj ). Dado que > ( jj ) y 1 > 1 (jj ), la pendiene de la reca de carga de cc es menor que la pendiene de la reca de carga de ca. V TH _ _ CE o Fig. 12. Colecor común. Seguidor de emisor. Sea la con guración de la Fig. 12a, en cc y suponiendo zona acia, se iene la malla de enrada y salida Fig. 14. ca. Seguidor de emisor. Equialene en cc. Equialene en

6 6 Sea el circuio de la Fig. 12b, su equialene en cc se muesra en la Fig. 14a, dado que el circuio no iene la resisencia de colecor, la reca de cc es disina la circuio de la Fig. 12a, así C o o 1 1 (22) RL Donde C = 1 : Por oro lado, la reca de carga de ca será Donde A = 1 A A ( jj ) : Noe que si >>, la reca de carga de ca puede llegar a ser la misma que la reca de carga de cc. Fig. 16. Ampli cador Base Común. _ ic I β1 C RL β Reca de ca β1 R β E Fig. 17. Base comun en ca. Reca de cc ( 1) ( jj ) = 0 Reemplazando las ariaciones en orno al puno Fig. 15. V V I β1 CE CE C RL β Recas de carga del seguidor de emisor. (1) jj (1) jj Finalmene, esará dada por la ariación de la corriene de emisor por A. = i E A O ambién se puede esablecer que = : Luego, la máxima excursión sin disorsión será p =, siempre que ese alor sea menor a la diferencia I 1 C I 1 C ( jj ) : ( jj ) = VII. Amplificador en Base Común El ampli cador de la Fig. 16 se conoce como Ampli - cador en Base Común, dado que las señales esán referenciadas respeco de la base del ransisor. El circuio en cc corresponde a un circuio de polarización uniersal, por lo ano la reca de carga en cc será CE 1 V CC 1 El circuio de ca será el de la Fig.17, luego planeando la malla de salida se iene Donde A = (1) jj : Finalmene, la salida esará dada por = A VIII. Conclusiones La incorporación de señales de corriene alerna en el circuio un circuio con ransiores de ne el uso de la reca de carga para ca, o ambién llamada reca de carga dinámica. Ese nueo elemeno permie describir el comporamieno de las ariables del BJT cuando ése recibe señales ipo ca, pues esablece los alores enre los cuales ucuará la corriene y el olaje. Para de nir esa nuea reca de carga de ca, se debe esablecer el puno para un alor deerminado. Si se quiere lograr una presación lineal del ampli cador, el puno debe esar en el cenro de la reca de carga de ca, eso se conoce como máxima excursión simérica.

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