Transistor bipolar de unión: Amplificador

Transcripción

1 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 Transstr plar de unón: Amplfadr 5.1 nepts áss sre ruts amplfadres Amplfadr de tensón Un amplfadr de tensón prdue una señal de salda n la msma frma que la señal de entrada per n mayr ampltud. n la Fgura 32 se muestra un esquema ás de la nfguraón de un amplfadr de tensón. Se defne la ganana de tensón m: (t) A (t) fuente de señal s(t) (t) Amplfadr (t) (t) A (t) arga a ganana de tensón A es un númer que puede ser pst negat. S A es un númer negat, la tensón de salda será una ersón amplada e nertda de la entrada. n ese as el amplfadr se denmna nersr. l lque que representa al amplfadr puede ser representad pr un mdel rutal equalente m el mstrad en la Fgura 33, dnde se a nsderad la fuente de señal n una erta resstena sere s. s s : esstena de entrada (puede ser tamén una mpedana Z). s la resstena equalente sta desde ls termnales de entrada al rut amplfadr: : esstena de salda Fgura 32 s la resstena equalente de Teenn sta desde ls termnales de salda del amplfadr. n un amplfadr de tensón deal = y la tensón de salda (t) n depende de la arga. A mdel rutal equalente Fgura 33 (t) (t) 3

2 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 n un amplfadr real la tensón de salda dsmnuye uant mayr es, pr l que en general nene que sea l más pequeña psle. A: Ganana de tensón en rut aert s la relaón entre la ampltud de la tensón de salda y la ampltud de la tensón de entrada n ls termnales de salda en rut aert. A: Ganana de tensón (t) A (t) s la relaón entre la ampltud de la tensón de salda y la ampltud de la tensón de entrada: A: Ganana de rrente (t) A (t) s la relaón entre la ampltud de la rrente de salda a la rrente de entrada: (t) A (t) ealzand las sguentes nsderanes puede expresarse m: (t) (t)/ A A (t) (t)/ De auerd a las anterres defnnes y analzand el mdel equalente de un amplfadr de tensón, se pueden estaleer las sguentes relanes: (t) (t) A (t) (t) s(t) s A (t) (t) s(t) (t) (t) A s(t) ( s) ( ) A s (1 ) (1 ) Del análss de la expresón anterr se dedue que la presena de s y reduen la ganana del amplfadr. Pr l tant, un amplfadr de tensón deería ser dseñad de md tal que s << y <<. l amplfadr de tensón deal tene s = y =, pr l ual A = A. Vst de tr md se trata de que sea l más grande psle y l más pequeña psle. 31

3 t letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, araterístas generales del transstr plar m amplfadr a Fgura 34 muestra una etapa elemental de amplfadr en emsr mún genér. s (t) s (t) (t) V V Fgura 34 n la Fgura 35, sre las araterístas de salda en se representó la reta de arga estáta que defne un punt de plarzaón Q (s = ), dada pr: V = V I S s, sre la tensón de almentaón de ase V se superpne una señal alterna s(t) de la frma: s(t) = Vs sen t n respuesta a la extaón prduda pr la fuente de señal s apareerá una mpnente de señal de la rrente de ase, Fgura 35: (t)= Im sen t I [ma] V/ t Im IQ IQ Q IQ Im t VQ V V VQ Vem Fgura 35 a rrente de ase nstantánea ttal (t) será la superpsón del nel rrespndente a la ntnua IQ (punt de plarzaón Q) más la mpnente de rrente de señal (t): 32

4 t letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 (t) = IQ (t) = IQ Im sen t m puede erse en la Fgura 35 esta señal prdue una araón de frma sendal tant de (t) m de (t) alrededr de sus neles de reps. (t) = IQ (t) = IQ Im sen t (t) = VQ e(t) = VQ Vem sen t Una pequeña araón en deda a la señal prdurá una araón ttal de sgnfata deda a la ganana de rrente (F) ls neles en la señal de salda sn un índe de la amplfaón prduda pr el rut. a ganana de rrente puede determnarse m el am en la rrente de letr para un am de la rrente de ase: Δ A Δ l punt de plarzaón Q lmta la máxma exursón permtda para la señal amplfada. as Fguras 36 y 37 muestran que la señal de salda puede sufrr rertes s el punt Q se elge eran a la regón de saturaón eran a la regón de rte. I [ma] saturaón I [ma] t IQ IQ Q IQ I m t V V V saturaón VQ Fgura 36 33

5 t t letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 I [ma] I [ma] I m IQ IQ Q t V rte VQ V rte Fgura 37 a Fgura 38 muestra que aún aend elegd un punt Q adeuad la señal de salda puede ser rertada s la señal de entrada tene una ampltud exesa. I [ma] saturaón I [ma] t IQ IQ Q rte t V V saturaón VQ rte Fgura 38 34

6 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 jempl: Smulaón SPI de una etapa amplfadra en l rut mstrad en la Fgura 39 es una etapa típa de un amplfadr emsr mún. a) Otener pr smulaón el punt de reps Q y mparar ls resultads n la resluón analíta. ) Otener las gráfas de tensón y rrente de salda ( y ) y determnar las gananas de tensón y de rrente. 12Vd V 1 33k 2.7k 2 salda VOFF = VAMP = 1mV FQ = 1K s s u 2 1k Q2N2222A 1k 1u 1u 1k Fgura 39 l punt de reps Q se tene en frma dreta en el rut m resultad de la smulaón (altand las pnes V e I en la arra de menú PSpe rrespndente). ueg de la smulaón ls resultads apareerán ndads sre punts prnpales del rut, Fgura 4. 12Vd V VOFF = VAMP = 1mV FQ = 1K V 2.33mA A 6 s s 12.V 1 22u 281.9uA 1 33k 2.697V 12.26uA 269.7uA 2 1k V 2.21mA 2.7k 6.542V 1k 2.34mA 2 1u 2.21mA Q2N2222A 2.34V 1u salda V A V 1k Utlzand el rut de plarzaón de la Fgura 41 se tene el punt Q en frma analíta utlzand el métd aprxmad. 35 Fgura 4

7 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 V=12V a tensón de ase respet a terra es: 1 33k 2.7k V V V 1 K 33 K 1 K 2.79 V Q2N2222A V V I 2.79 V.7 V 1K 2.9 A 2 1k 1k I I 2.9 ma V V I Fgura 41 V 12 V 2.9 A (1K 2.7 K) V 4.3 V Se puede serar que ls resultads numérs tends se rrespnden n uena aprxmaón a ls resultads de la smulaón PSpe. Fgura 42 as Fguras 42 y 43 muestran ls resultads de la smulaón. Mdend ls alres p a p se determnan la ganana de rrente (A = /) y la ganana de tensón (A = /s). A = / = 92.8 A/.544 A = 17 A = /s = mv/ 1 mv = (Oserar que entre y s ay una drena de fase de 18º). m se aderte de ls alres tends, en una etapa amplfadra msr mún se 36

8 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 nsgue una apreale ganana de rrente y de tensón, y además la tensón de salda tene un desfasaje de 18º respet a la Fgura 43 señal de entrada. 5.3 t de ls apatres de aplament y de pas n el esquema rutal del amplfadr de la Fgura 39 el apatr 1, llamad de aple, aísla la rrente ntnua de plarzaón de la fuente de señal s = Vs sen t y de su resstena nterna s. uand n ay señal alterna aplada (freuena er) la reatana de 1 es nfnta. A la freuena de la señal que se pretende amplfar la reatana de 1 es l suntemente pequeña, mparada n s, de md que el et de 1 sre la señal de entrada puede desprearse. l apatr 2 permte el aplament de la etapa n la sguente y su et es preenr nteranes de rrente ntnua entre etapas adyaentes. Para el rut mstrad en la Fgura 39, es la resstena de entrada equalente de la sguente etapa. l apatr, llamad apatr de desaple de "ypass" eta que la resstena de emsr (neesara para la plarzaón del dspst) nfluya en el funnament de alterna, y pr l tant dsmnuya la ganana del amplfadr (ya que una parte de la señal a amplfar se deraría pr ). 5.4 Mdel equalente írd para el análss n pequeña señal uand un transstr plar se enuentra funnand en ndón dnáma n señales de pequeña ampltud, pequeñas aranes alrededr del punt estát de reps, las euanes que defnen sus parámetrs relanan las magntudes elétras en frma aprxmadamente lneal. De esta frma las euanes que representan el mprtament del dspst pueden ser representadas pr ruts equalentes que nluyen mpedanas admtanas y generadres ntrlads de tensón de rrente. n estas ndnes se nsderan nstantes ls parámetrs del dspst en td el margen de araón de la señal aplada. Un transstr plar que funna en ndnes dnámas puede representarse pr un 37

9 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 uadrpl (Fgura 44), pudend esrrse las relanes: f1(1, 2, 1, 2) = f2(1, 2, 1, 2) = Fgura 44 n este sstema es psle despejar ds arales en funón de las tras ds, ntrduend uatr entes parámetrs ndependentes, que se determnan a partr de la físa del dspst. De este md, el rut equalente resultante se mprta gual que un uadrpl ("aja negra" que representa al transstr), de ls termnales aa fuera. sta es una magen útl en las aplanes prátas y ls áluls. xsten drentes nfguranes ruts equalentes para drentes prpósts práts. N sn ls msms ruts equalentes ls que se representan, pr ejempl, para desrr la frma en que el dspst respnde a una señal snusdal que a un gran puls, para desrr las araterístas en rrente ntnua. s tres grups más munes de relanes entre las arales 1, 2, 1, 2 sn: parámetrs de mpedana parámetrs de admtana parámetrs írds sts últms, parámetrs írds (), sn ls más utlzads para representar el mprtament del transstr plar en pequeña señal; sn fáles de medr y fguran en las jas de dats prprnadas pr el farante. 5.5 Mdel de parámetrs írds as euanes que representan el mdel sn: as arales ndependentes sn la rrente de entrada 1 y la tensón de salda Impedana de entrada en rtrut [] Ganana de tensón nersa en rut aert [admensnal] Ganana de rrente dreta en rtrut [admensnal] ndutana de salda 38 en rut aert [S]

10 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 Ded a que tds ls parámetrs del mdel tenen dstntas undades dera el nmre de parámetrs írds. Del njunt de euanes anterres resulta el rut de la Fgura 45: Fgura 45 l rut equalente de la Fgura 45 tene m araterístas: aísla ls ruts de entrada y de salda, la nteraón está determnada pr las ds fuentes ntrladas; el rut de entrada es del tp Teenn y el de salda de tp Nrtn; la frma general del rut permte dstngur adeuadamente ls ruts de almentaón y de arga. Generalmente y de auerd a nrmas de us nternanal se expresa: 11 = ( se rere a entrada (nput)) 12 = r (r se rere a transrena nersa (reerse)) 21 = f (f se rere a transrena dreta (frward)) 22 = ( se rere a salda (utput)) n el as de ls transstres plares se añade tr suínde que tene en uenta el tp de nfguraón. m un rut amplfadr requere uatr termnales, ds de entrada y ds de salda, uand el transstr se usa m element amplfadr se tma un de sus termnales m mún a la entrada y a la salda, resultand tres nfguranes típas: emsr mún (), ase mún () letr mún (). stas tres nfguranes junt n ls mdels equalentes de parámetrs írds que se rrespnden se muestran en las Fguras 46 a), ) y ). e e e e Fgura 46 a) re e e e e e e e 39 Fgura 46 ) r f e

11 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 e e r e f e e e Fgura 46 ) Haend un ree análss ualtat de las tres nfguranes puede derse que: n la nfguraón de, la entrada se apla entre ase y emsr, y la arga entre letr y emsr. a ganana de rrente es eleada, l msm que la ganana de tensón. as resstenas de entrada y de salda sn de rden med. n la nfguraón de la señal prede del generadr de entrada que se la entre el emsr y la ase (termnal mún), y la resstena de arga entre letr y ase. a rrente de salda es prátamente del msm alr que la de entrada y pr l tant la ganana de rrente es as untara. a resstena de entrada es pequeña y la de salda grande. n la nfguraón de la señal se apla entre la ase y el letr, y la arga entre emsr y letr. a ganana de rrente es eleada, la ganana de tensón es prátamente untara, la resstena de entrada es muy grande y la de salda muy pequeña. ste mntaje ree el nmre de segudr de emsr ded a que el alr de la tensón en d termnal es aprxmadamente el msm que el de ase y pr ell la ganana de tensón es próxma a la undad. 5.5 Parámetrs en msr mún s parámetrs e y se determnan de la araterísta de salda, en tant e y re se determnan de la araterísta de entrada. Admtana de salda e Utlzand las defnnes de ls parámetrs dadas anterrmente se determna la admtana de salda en pr: Δ e e Δ punt Q y e sn pequeñas aranes alrededr del punt de funnament estát Q. Pr l 4

12 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 tant, e representa la pendente de la araterísta de letr en el punt Q, Fgura 47 a). Ganana de rrente en rtrut a ganana de rrente en rtrut en se tene rtrutand la salda en el mdel de pequeña señal, es der aend e =. Δ e Δ punt Q a Fgura 47 ) muestra m tener de la araterísta de salda, pr med de ls nrements y para V = nstante. I I IQ = Q IQ IQ = Q IQ = VQ V VQ V e = Fgura 47 a) Fgura 47 ) Impedana de entrada e a mpedana de entrada e en se tene de la araterísta de entrada m: e Δ e e Δ punt Q V V I I Q IQ = Q e = VQ V VQ V e = e = Fgura 48 a) 41 Fgura 48 )

13 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 a relaón e/ representa la resstena dnáma de la unón emsrase alulada en el punt de funnament Q. a Fgura 48 a) muestra m tener e gráfamente. Ganana de tensón nersa re Se tene de la araterísta de entrada, Fgura 48 ), pr med de la relaón: re e e Δ Δ punt Q Para la nfguraón de emsr mún re es muy pequeñ y en mus ass puede desprearse. n la Fgura 49 se muestran uras araterístas de ls parámetrs en funón de la rrente de letr para una tensón letremsr, freuena de traaj y temperatura amente determnads, para el transstr 2N394. Fgura 52 a tala dada a ntnuaón permte realzar una mparaón de las nfguranes. (l sgn mens nda un desfasaje de 18º entre las magntudes nsderadas). 42

14 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 1 K 1 K 2 r 2.5x1 4 ~ 1 3x1 4 f A/V 25 A/V.5 A/V 1/ 4 K 4 K 2 M 5.6 álul de un amplfadr n el mdel de parámetrs írds en la nfguraón de msr mún. Se trata de alular en frma exata, prmer, y aend aprxmanes después ls prnpales parámetrs de un amplfadr plar de una sla etapa en : amplfaón ganana de tensón A, amplfaón de rrente A, mpedana de entrada Z e mpedana de salda Z, sre la ase del mdel de parámetrs írds. Para ell se analzará el rut de la Fgura 5, que es un as general. Para realzar el análss de amplfadres se realzan ds áluls ndependentes: rrente ntnua (que permte tener el punt de reps estát) y rrente alterna (que permte araterzar el mprtament n la señal a amplfar). ueg se apla el terema de superpsón (que resulta áld s se aen aprxmanes lneales). V 1 s 1 s 2 rut de rrente ntnua Fgura 5 Se rtruta la fuente de señal s y se nsderan ls apatres m ruts aerts, ya que su reatana es nfnta para rrente ntnua. l rut resultante permte alular el punt de reps estát Q. rut equalente de rrente alterna Se rtrutan las fuentes de ntnua y se nsderan (sal ndaón en ntrar) las 43

15 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 apatanas m rtruts a la freuena de nterés. Se reemplaza el transstr pr su mdel equalente de parámetrs írds. Para nstrur este rut se pueden segur las sguentes reglas: a) Dujar en frma lara el dagrama de nexnes del rut señaland ls termnales del transstr, y, que serán ls punts de partda del rut equalente a nstrur. ) eemplazar al transstr pr su mdel equalente írd. ) Transrr tds ls elements del rut real al equalente mantenend ntatas las psnes relatas de ls msms. as fuentes ndependentes de ntnua se reemplazan pr su resstena nterna, en as de pseerla. a fuente de tensón ntnua deal se reemplaza pr un rtrut y la fuente de rrente deal pr un rut aert. d) Se resuele el rut lneal resultante apland ls teremas nds de la tería de ruts. a Fgura 51 muestra el rut equalente mplet resultante para el as más general, =. s s e e re e e e e Z Z Fgura 51 Z Z álul de la amplfaón de rrente Defnms la amplfaón de rrente respet de la ase del transstr m: A Para alular su expresón en funón de ls parámetrs del rut y del dspst menzams apland las leyes de Krff en la malla de salda: e eemplazand y agrupand térmns se tene: 44 e e

16 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 e e 1 e e pues e 1 Impedana de entrada A Se defne así a la mpedana que se e entre la ase y la rerena: 1 Z Puede defnrse tamén la mpedana sta pr el generadr de señal. n ese as: Z ' e // Z Para alular Z menzams planteand la euaón de la malla de entrada: dnde e re e e e e e e re re re e e e e re e 1 re, m re 1 Tenend en uenta las sguentes relanes: e eemplazand y agrupand: Z e (1 A ) re A Puede erse que la mpedana de entrada Z es funón de la arga. Amplfaón de tensón Se defne la amplfaón de tensón respet de la ase del dspst m: A Tenend en uenta: y Z A A Z 1 e Z Se pueden tener en uenta ls ets de la resstena del generadr s y en ese as: A s s s A s 45

17 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 Dee enntrarse la relaón entre y s. Halland un rut equalente en la entrada, Fgura 52: Z ' s s Z ' Z ' As A s Z ' Fgura 52 A representa la ganana de tensón n una fuente de tensón deal, es der, s =. n la práta s y uant mayr alr tene ata nsderalemente la amplfaón respet del as deal. Admtana de salda (Y) Se alula la admtana de salda Y n las sguentes ndnes rutales s = y externa al rut, resultand el rut equalente mstrad en la Fgura 53: s e e re e e e e Y Fgura 53 Se utlza el métd del generadr auxlar, land un generadr de alr y aluland la relaón Y= /. Se plantea el sstema de euanes: e ' e e 46

18 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 eemplazand: ' ' e e e e, e e re ' e e // s e 1 re re ' e //s e re ' e //s pues re ' e //s re ' e // ' e s e e pues en generalse umple :e re ' re //s 1 e //s esulta m alr de Y: Y ' e e // re s 1 e e 1 // s a mpedana de salda del amplfadr se alula m Z = 1/Y Impedana de salda (Z') Se alula m: Z'= Z // Otra frma de alular Y Otra frma de alular la mpedana de salda es apland el denmnad rlar de ls Teremas de Teenn y Nrtn, para el ual Z está dada pr: a Z a es la tensón de rut aert entre ls punts dnde se quere alular la mpedana, es la rrente de rtrut que resulta de rtrutar ls punts dnde se quere alular la mpedana. S se aluló preamente la ganana de tensón As, la tensón a rut aert para el rut de la Fgura 52 puede alularse m: a A lm lm s s De frma smlar la rrente de rtrut queda expresada pr: A lm lm s s 47

19 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 Apland el rlar de Teenn y Nrtn: Z a lm lm A A lm lm s s s s eemplazand pr la expresón de As y ealuand ls límtes para las ndnes fjadas de resulta Z. l mdel smplfad en emsr mún m se anterrmente ls áluls de ls parámetrs del amplfadr (A, A, Z, Z) pueden resultar largs y tedss. Además, muas ees n es neesar el nment exat de ls alres sn que es sunte tener alres aprxmads, dentr de un margen de errr que resulte aeptale. Pr est, es mún aer aprxmanes en el mdel de parámetrs del amplfadr. xsten ds parámetrs que, según el as pueden nsderarse despreales dentr del mdel: re y e. a) ndón de smplfaón de e S analzams las expresnes tendas de A, A y Z ems que, pr ejempl en la expresón de A: S se umple que e ( ) << 1, tenems el prmer rter de smplfaón y se puede nsderar e en el rut equalente. Además s se umple: e ( ).1, el errr metd estará en el rden de l% y se puede nsderar aeptale en áluls de prmera aprxmaón. ) ndón de smplfaón de re Puede serarse que las expresnes en las que nterene re sn las mpedanas de entrada y de salda y A. S se umple que e ( ) << 1, para que pueda desprearse re en el rut de entrada: re e << e Per m e ( ), reemplazand en la anterr: resulta: A 1 re ( ) << e, re 1 e De las smplfanes anterres surge el rut equalente de la Fgura 54: e 48

20 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 s e s e e Fgura 54 Para este rut resulta mu más senll alular ls parámetrs del amplfadr: A Z A A S (1 ) >> e y >>1 resulta: e 1 Z e 1 e 1 A 1 Una entaja de esta nfguraón es que la ganana de tensón se ndependza de ls parámetrs del transstr y depende de la relaón /. rut n emsr a terra ( n apatr de desaple ) n este as se ae un análss smlar al anterr per n = en el rut de la Fgura 54. (erdar que se elge de manera que sea un rtrut a la freuena de nterés). Para usar el rut equalente smplfad las aprxmanes a umplr serán: e.1 re /e.1 n esas ndnes resulta el rut mstrad a ntnuaón. 49

21 letróna Analóga I Prf. Móna. Gnzález, 29 s e e e s Fgura 54 eslend el rut smplfad: A / Z / e Z ' e // A / e A s / s s // e // e e Z' 5