Transistor BJT como Amplificador

Transcripción

1 Transistor BJT como Amplificador Lección 05.2 Ing. Jorge Castro-Godínez Escuela de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica II Semestre 2013 Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 1 / 39

2 Contenido 1 Fundamentos 2 3 Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 2 / 39

3 Transistor como amplificador (1) Para operar como amplificador, el BJT debe estar polarizado en la región activa. Se debe establecer una polarización que permita contar con una corriente de emisor (o de colector) en CC que sea constante. Corriente predecible e insensible a cambios en la temperatura y β. La operación está altamente influida por el valor de la corriente de polarización. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 3 / 39

4 Transistor como amplificador (2) i C I C R C R C i B V CC I B V CC v be v BE v CE V BE V CE V BE i E I E Circuito conceptual. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 4 / 39

5 Condiciones de CC Cuál es la polarización en CC? Fijar v be en cero. Realizar un análisis en CC. Para el circuito anterior: I C = I S e V BE/V T I E = I C /α I B = I C /β V C = V CE = V CC I C R C Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 5 / 39

6 Corriente de colector y transconductancia (1) Tensión v BE total instantánea: v BE = V BE + v be La corriente de colector se convierte en: i C = I S e v BE/V T = I S e (V BE+v be )/V T = I S e V BE/V T e v be/v T i C = I C e v be/v T Considerando v be V T, se aplica una expansión de lo anterior en una serie: ( i C I C 1 + v ) be V T Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 6 / 39

7 Corriente de colector y transconductancia (2) La anterior aproximación es válida si v be 10 mv Se conoce como aproximación a pequeña señal. i C = I C + I C V T v be i C está compuesta de un valor en polarización CC y una componente de señal i c i c = I C V T v be i c = g m v be Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 7 / 39

8 Corriente de colector y transconductancia (3) g m recibe el nombre de parámetro de transconductancia g m = I C V T g m es directamente proporcional a I C de polarización del colector. g m es igual a la pendiente de la curva característica i C v BE, donde i C = I C Punto de polarización Q (punto de trabajo estático) g m = i C v BE ic =I C Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 8 / 39

9 Corriente de colector y transconductancia (4) Operación lineal del transistor bajo condiciones a pequeña señal. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 9 / 39

10 Corriente de colector y transconductancia (5) La aproximación implica conservar la amplitud de la señal suficientemente pequeña para que la operación del amplificador se restrinja a un segmento casi lineal de la curva exponencial i C v BE v be V T Entrada: tensión entre base y emisor. Salida: Corriente de colector. Hasta este punto se considera una resistencia de salida infinita. Se debe considerar el Efecto Early. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 10 / 39

11 Corriente de base y resistencia de entrada en la base (1) Resistencia vista por v be Evaluar la corriente en la base: i B = i C β = I C β + 1 I C v be β V T i B = I B + i b i b = g m β v be Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 11 / 39

12 Corriente de base y resistencia de entrada en la base (2) La resistencia de entrada a pequeña señal entre base y emisor, mirando hacia la base, r π r π v be i b r π = β g m Directamente proporcional a β e inversamente proporcional a la corriente de polarización I C. Expresión alternativa r π = V T I B Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 12 / 39

13 Corriente de emisor y resistencia de entrada en emisor (1) La corriente total de emisor i E se puede determinar como i e está dado por: i E = i C α = I C α + i c α i E = I E + i e i e = i c α = I C αv T v be = I E V T v be Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 13 / 39

14 Corriente de emisor y resistencia de entrada en emisor (2) r e se define como la resistencia a pequeña señal entre base y emisor, mirando hacia el emisor y se conoce como resistencia de emisor. r e v be i e r e = V T I E r e = α g m 1 g m Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 14 / 39

15 Relación entre r π y r e Al combinar sus definiciones: v be = i b r π = i e r e r π = i e i b r e r π = (β + 1) r e Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 15 / 39

16 Ganancia de tensión / voltaje (1) i C v C = V CC i C R C R C = V CC (I C + i c ) R C v V be BE i B v BE i E v CE V CC = (V CC I C R C ) i c R C = V C i c R C V C es la tensión de polarización en CC del colector. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 16 / 39

17 Ganancia de tensión / voltaje (2) La tensión de pequeña señal está dada por: v c = i c R C = g m v be R C = ( g m R C ) v be La ganancia de tensión A v de este amplificador es: A v v c v be = g m R C Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 17 / 39

18 Modelo π (1) Modelo presenta al BJT como una fuente de corriente controlada por tensión e incluye la resistencia de entrada r π Se puede demostrar que: i e = v be r e La corriente de la fuente controlada, g m v be, se puede expresar en términos de la corriente i b : g m v be = g m (i b r π ) = (g m r π ) i b = βi b Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 18 / 39

19 Modelo π (2) Modelo π. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 19 / 39

20 Aplicación de los circuitos equivalentes a pequeña señal I 1 Determinar el punto de operación en CC del BJT, particularmente I C. 2 Calcular los valores de los parámetros del modelo de pequeña señal. g m = I C V T r π = β g m r e = V T I E 1 g m 3 Eliminar las fuentes de CC: las de tensión se reemplazan por un cortocircuito y las de corriente por un circuito abierto. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 20 / 39

21 Aplicación de los circuitos equivalentes a pequeña señal II 4 Sustituir el transistor BJT por uno de sus modelos equivalentes. 5 Analizar el circuito resultante para determinar los valores necesarios, por ejemplo ganancia de tensión o de corriente. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 21 / 39

22 Ejemplo (1) Se desea analizar el amplificador que se presenta en la figura y determinar su ganacia de tensión. Suponga β = 100. R BB 100 k V CC 10 V R C 3 k v i V BB 3 V Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 22 / 39

23 Ejemplo (2) Considere el circuito. V CC = 20 V, R C = 2, 2 kω, R 1 = 390 kω, R E = 1, 2 kω, β = 140, r o tiende a infinito. a) Encuentre el punto de operación del transistor: I B, I E, V CE. b) Encuentre el equivalente y los parámetros de pequeña señal. c) Encuentre la expresión para la ganancia de tensión del amplificador y su valor. VCC R1 RC ii vo Re Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 23 / 39

24 Modelo T (1) C i c i e B i b v be i e r e Modelo T. E Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 24 / 39

25 Modelo T (2) Este modelo presenta al BJT como una fuente de corriente controlada por tensión, con v be como tensión de control. Acá la resistencia entre la base y el emisor, viendo hacia el emisor, se muestra de forma expĺıcita. i b = v be r e g m v be = v be (1 g m r e ) r e ( 1 β ) β + 1 = v be r e (1 α) = v be r e = v be r π Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 25 / 39

26 Modelo T (3) La corriente de la fuente controlada se puede expresar en términos de la corriente i e : g m v be = g m (i e r e ) = (g m r e ) i e = αi e Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 26 / 39

27 Modelo π al considerar el Efecto Early (1) Efecto Early hace que la corriente de colector no solo dependa de v BE, sino también de v CE. Esta última dependencia se modela como una resistencia finita de salida a la fuente controlada del modelo π. r o V A I C Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 27 / 39

28 Modelo π al considerar el Efecto Early (2) B C B C i b v r g m v r o r i b r o E Modelo híbrido π con la r o incluida. E Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 28 / 39

29 Modelo π al considerar el Efecto Early (1) Cual es el efecto de r o en la operación del transistor como amplificador? Para el caso que se ha presentado, se muestra como una resistencia en paralelo con R C, por lo que la salida es: Qué sucede con la ganacia? Se reduce. v o = g m v be (R C r o ) Si r o R C, la reducción de ganancia es insignificante. r o podría despreciarse si r o > 10R C Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 29 / 39

30 (1) Se requiere una corriente CC constante en el emisor del BJT. Corriente calculable, predecible e insensible a variaciones en temperatura y a las grandes variaciones de β que se pueden encontrar en transistores del mismo tipo. Ubicación del punto de polarización en la curva i C v CE, para considerar máxima alternancia (oscilación) de la señal de salida. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 30 / 39

31 (2) Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 31 / 39

32 (3) Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 32 / 39

33 Polarización con una sola fuente de alimentación (1) V CC R 2 V BB V CC R 1 R 2 V CC R 1 R C I B R C I C R B R 1 R 2 I E R 2 R E L R E Polarización clásica del BJT Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 33 / 39

34 Polarización con una sola fuente de alimentación (2) Se alimenta la base mediante un divisor de tensión. V BB = Siendo I B = I E /(β + 1) I E = R 2 R 1 + R 2 V CC R B = R 1R 2 R 1 + R 2 V BB V BE R E + R B /(β + 1) Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 34 / 39

35 Polarización con una sola fuente de alimentación (3) Para hacer I E insensible a las variaciones en temperatura y β, se consideran las siguientes restricciones: V BB V BE Como regla práctica: R E R B β + 1 V BB 1/3V CC V CB o V CE 1/3V CC I C R C 1/3V CC R 1 y R 2 tal que su corriente se encuentre entre I E y 0,1I E Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 35 / 39

36 Ejemplo (2) Se desea diseñar la red de polarización para el circuito presentado, que permita establecer una corriente I E = 1 ma usando V CC = 12 V. R 1 V CC R C R 2 R E Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 36 / 39

37 Polarización con dos fuente de alimentación Polarización de BJT con dos fuentes de alimentación. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 37 / 39

38 Polarización alternativa Polarización de BJT alternativa I E insensible a β con R B /(β + 1) Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 38 / 39

39 Referencias Bibliográficas I J. M. Albella et al. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica. Pearson, 1era edición, A. Sedra, K. Smith. Circuitos Microelectrónicos Oxford, 4ta edición, Jorge Castro-Godínez Transistor BJT como Amplificador 39 / 39