TAREA 2. Analisis de redes de dos puertos

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1 TAREA 2 Analisis de redes de dos puertos Transistores bipolares El transistor es un dispositivo de tres terminales, a diferencia del diodo, que tiene dos terminales. Este consiste en un material de tipo p y uno de tipo n; el transistor consiste en dos materiales de tipo n separados por un material de tipo p (transistor npn) o en dos materiales p separados por un material n (transistor pnp). Las tres capas o secciones diferentes se identifican como emisor, base y colector. El emisor, capa de tamaæo medio diseæada para emitir o inyectar electrones, esto bastante contaminado. La base, con una contaminacion media, es una capa delgada diseæada para pasar electrones. El colector, capa grande diseæada para colectar electrones, esto poco contaminado. El transistor se puede concebir como dos uniones pn colocadas "espalda contra espalda", Østas se denominan transistores bipolares de union BJT, bipolar funcion transistor. Operacion del transistor. Una explicacion sencilla pero eficaz de la operacion del transistor npn se lleva a cabo utilizando la tecnica de diagramas de barrea de potencial. Este metodo ilustra de manera simplificada la operacion basica de un transistor bipolar de tal forma que se puedan entender ejemplos de circuitos sencillos. Cuando la union base-emisor se polariza en directo y la union base-colector en inverso, los electrones que dejan el material n del emisor solo ven una barrera de potencial pequeæa en la union np. Como la barrera de potencial es pequeæa, muchos de los electrones tienen la suficiente energia para llegar al tope de ella. Una vez en el tope, los electrones se mueven facilmente a traves del material p (base) a la union pn (base-colector). Cuando se acercan a esta union, los electrones se encuentran bajo la influencia de la fuente de tension positiva y se mueven con mucha rapidez conforme descienden en la barrera de potencial. Si se reduce la polarizacion en directo de la union base-emisor, aumenta la altura de la barrera de potencial. Alos electrones que dejan el emisor les sera mas dificil alcanzar el tope. Los electrones que lo alcanzan son aquellos con mayor cantidad de energia, y los que alcanzaron el colector. Por tanto, una reduccion de la polarizaci n en directo provoca que la corriente a traves del transistor se reduzca en forma considerable. Por otra parte, al aumentar la polarizaci n en directo de la uni n base-emisor se reduce la barrera de potencial y se permite el flujo de un mayor nœmero de electrones a travøs del transistor.

2 El flujo de corriente en un transistor de uni n tambiøn se puede entender mediante el examen del comportamiento de los portadores de carga y las regiones desørticas. N tese que como la uni n base-emisor esta polarizada en directo, la regi n desørtica es relativamente delgada. Lo inverso es correcto para la uni n base-colector. Un gran nœmero de portadores mayoritarios (electrones) se difunde a travøs de la uni n base emisor, puesto que Østa se halla polarizada en directo. Estos electrones entran a la regi n de la base y tienen dos opciones. Podr an dejar esta regi n a travøs de la conexi n con las fuentes de alimentaci n o continuar hacia la regi n de colector a travøs de la amplia regi n desørtica de la uni n polarizada en inverso. Lo normal ser a que la mayor parte de esta corriente regresaræ a la fuente, excepto por las siguientes observaciones. Como la regi n de base es muy delgada, estos electrones necesitan viajar una distancia mæs corta para ser atra dos por la fuente positiva del colector. AdemÆs, el material de la base posee una conductividad baja, por lo que el trayecto hacia la terminal de la fuente presenta alta impedancia. En realidad, una cantidad muy pequeæa de los electrones deja la base a travøs de la conexi n con la fuente; la mayor parte de la corriente fluye hacia el colector. El transistor de uni n bipolar presenta ganancia de corriente, lo cual se puede utilizar para amplificar seæales. Por lo general, este modelo es adecuado para el diseæo y anælisis de muchos circuitos. La uni n base-emisor actœa como un dipolo polarizado en directo con una corriente i B + i C. La uni n base-colector esta polarizada en inverso y exhibe una corriente de fuga pequeæa, I CBO, y una corriente grande, b i B. Esta œltima es provocada por la interacci n de corrientes en la base. Queda claro que i E = i C + i B N tese que la direcci n positiva de las corrientes de base y colector se define entrando al transistor, y en forma inversa para la corriente del emisor. Esta es una simple convecci n, y se podr a haber invertido cualquiera de las direcciones. La ganancia de corriente en base comœn, se define como la raz n del cambio en la corriente de colector al cambio en la corriente de emisor, suponiendo que la tensi n entre el colector y la base es constante. Por tanto, F rmula de ganancia de impedancia: Se deriva una relaci n importante entre las cantidades de C.A. de ganancia de tensi n,

3 A v, y de ganancia de corriente, A i. La formula de tensi n se define como y la ganancia de corriente como ParÆmetros h bridos: En un sistema de cuatro terminales existen cuatro variables de circuito: la tensi n y la corriente de entrada, y la tensi n y corriente de salida. Estas cuatro variables se pueden relacionar por medio de algunas ecuaciones, dependiendo de cuales variables se consideren independientes y cuales dependientes. El par de ecuaciones de paræmetros h bridos (paræmetros h) (y su circuito equivalente) se utiliza a menudo para anælisis de circuitos con BJT. Cuando se utilizan los paræmetros h para describir una red de transistores, el par de ecuaciones se escribe como sigue: Donde los paræmetros h se definen como: h i = h 11 = resistencia de entrada del transistor h r = h 12 = ganancia de tensi n inversa del transistor h f = h 21 = ganancia directa de corriente del transistor h 0 = h 22 = conductancia de salida del transistor Cuando los paræmetros h se aplican a redes de transistores, toman un significado præctico en relaci n con el desempeæo del transistor. Cuando los paræmetros de entrada y de salida se igualan en forma individual a cero, cada paræmetro h brido representa ya sea una resistencia, una conductancia, una raz n de dos tensiones o una raz n de dos corrientes. Es muy œtil C.D. contar con alguna forma de distinguir entre las tres configuraciones, es decir, EC, CC y BC. Se aæade un segundo sub ndice a cada paræmetro h brido para proporcionar esta distinci n. Por ejemplo, un circuito en EC suele tener h i en el circuito de base, y se cambia a h ie. De manera similar para BC, h i se cambia por h ib, y para CC,

4 se cambia a h ic. Los tres valores se relacionan entre s como sigue: es funci n del punto de operaci n (I βel valor real de CQ ) del transistor es. En la porci n plana de la curva de i C contra v CE con i B es pequeæa. Conforme β constante, el cambio en empieza a caer. A medida que la β del transistor se aproxima a la saturaci n, tambiøn se aproxima a cero. La β del transistor se aproxima a corte, la resistencia de entrada en cortocircuito. Se explora el valor de los paræmetros antes de abordar la utilizaci n de los circuitos equivalentes para el diseæo y anælisis. Primero se desarrollan las ecuaciones para h ie y h ib, que muestran la dependencia de estos paræmetros respecto a la ubicaci n del punto de operaci n. La ecuaci n anterior es œtil para estimar el valor de h ib. ParÆmetros en EC: Resistencia de entrada, R en Se utiliza el circuito de paræmetros h bridos para derivar la ecuaci n de la resistencia de entrada para cada tipo de configuraci n del amplificador. La b es bastante grande para aproximar 1 + b como b. La corriente en R E es, por tanto, aproximadamente igual a b i b. Si R B es despreciable comparada con b R E, podemos comparar con la ecuaci n de ganancia de tensi n, A v l a relaci n de divisi n de corriente aplicada a la salida El signo negativo resulta de la direcci n opuesta de b i b con respecto a i L.

5 Ganancia de corriente, A i La ganancia de corriente se encuentra a partir de la formula de ganancia de impedancia,. Resistencia de salida, R 0 La fuente de corriente ideal exhibe una impedancia infinita, ya que se mide la resistencia de salida como la entrada en circuito abierto (es decir, i b = 0). La resistencia de salida para el transistor EC es entonces Por lo general, el paræmetro h oe es bastante pequeæo como para ser despreciado en los cælculos, de modo que la magnitud de la resistencia de salida del transistor se vuelve infinita. Linealidades de los BJT Un transistor opera en forma lineal excepto en las regiones de corte y saturaci n. La operaci n en estas regiones o cerca de ellas provoca una reproducci n distorsionada de la seæal de entrada. ParÆmetros para el amplificador CC (ES) Resistencia de entrada, R en El circuito ES (emisor-seguidor). C 1 y C 2 se consideran cortocircuitos para frecuencias medias. R en = R B Ganancia de tensi n, A v La ganancia de tensi n esta dada por: Si h ib es pequeæa comparada con R E forma corta R L, como es comœn, se obtiene la expresi n en A v = 1

6 Ganancia de corriente, A i A i = R B /R L Resistencia de salida, R 0 La resistencia de salida depende de los paræmetros de entrada R s y R B, a diferencia del resultado para el amplificador EC, donde R 0 depende solo de R C. ParÆmetros para el amplificador BC El circuito BC se dibuja a menudo con orientaci n horizontal, de esta configuraci n, es fæcil ver que la polarizaci n es idøntica a la del amplificador EC. Resistencia de entrada, R en La corriente en R en es i en + (1+b )i b. La ecuaci n en forma corta se obtiene suponiendo que h ib << R E y R B << b R E. Entonces: R en = h ib + R B /b Ganancia de corriente, A i Ganancia de tensi n, A v La formula de ganancia de impedancia se utiliza para encontrar A v. Se usan A i de la y R en de la ecuaci n para obtener la expresi n en forma larga de la ecuaci n ya que h ib es aproximadamente igual a R B /b. Si se aæade un capacitor de paso entre base y tierra, R B /b se elimina de la ecuaci n y la expresi n se simplifica a: Resistencia de salida, R 0 Como en el caso del amplificador EC, el generador de corriente dependiente, b i b, presenta una resistencia elevada por tanto: R 0 = R C

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