6. Circuitos de Polarización para BJT. Electrónica Analógica

Transcripción

1 6. Circuitos de Polarización para BJT Electrónica Analógica

2 Temas: El punto de operación en cd Circuitos de Polarización para BJT Polarización por medio de un divisor de voltaje Otros métodos de polarización

3 Objetivos Circuitos de Polarización para BJT Discutir el concepto de polarización en cd de un amplificador lineal Analizar un circuito de polarización que utiliza un divisor de voltaje Analizar un circuito de polarización del emisor, un circuito de polarización de la base, un circuito de polarización con realimentación del emisor y un circuito de polarización con realimentación del colector

4 El Punto de Operación en DC Un transistor debe ser apropiadamente polarizado con un voltaje de cd para que opere como amplificador lineal. Se debe ajustar el punto de operación en cd de modo que las variaciones de la señal en la terminal de entrada se amplifiquen y reproduzcan con precisión en la terminal de salida. Como aprendimos, cuando se polariza un transistor se establece el voltaje de cd y los valores de corriente. Esto significa, por ejemplo, que en el punto de operación en cd, I C y V CE tienen valores especificados. El punto de operación en cd a menudo se conoce como punto Q.

5 Polarización en DC El Punto de Operación en DC

6 Polarización en DC El Punto de Operación en DC La polarización establece el punto de operación en cd (punto Q) para la operación lineal apropiada de un amplificador. Si un amplificador no se polariza con voltajes de cd correctos a la entrada y salida, puede irse a saturación o a corte cuando se aplique una señal de entrada. La figura muestra los efectos de la polarización en cd apropiada e inapropiada de un amplificador inversor. En la parte (a), la señal de salida es un réplica amplificada de la señal de entrada excepto porque está invertida, lo que significa que está desfasada 180 con respecto a la entrada. La señal de salida oscila del mismo modo por encima y por debajo del nivel de polarización en cd de la salida, V CD(sal). Una polarización inapropiada puede distorsionar la señal de salida, como se ilustra en las partes (b) y (c). La parte (b) ilustra cómo la parte positiva del voltaje de salida se limita debido a que el punto Q (punto de operación en cd) está demasiado cerca del corte. La parte (c) muestra cómo la parte negativa del voltaje de salida se limita debido a que el punto de operación en cd se encuentra demasiado cerca de la saturación.

7 El Punto de Operación en DC Polarización en DC. Análisis Gráfico

11 El Punto de Operación en DC Polarización en DC. Recta de Carga en DC

12 El Punto de Operación en DC Polarización en DC. Recta de Carga en DC La operación en cd de un circuito con un transistor se describe gráficamente con una recta de carga en cd. Ésta es una recta sobre las curvas características desde el valor de saturación donde I C = I C(sat) sobre el eje y hasta el valor de corte donde V CE = V CC sobre el eje x, como se muestra en la figura (a). El circuito externo (V CC y R C ) determina la recta de carga, no el transistor mismo, lo cual es descrito por las curvas características. La ecuación para I C es: Ésta es la ecuación de una línea recta con una pendiente de -1/RC, una intersección x de V CE = V CC y una intersección y de V CC /R C, la cual es I C(sat). El punto donde la recta de carga corta una curva característica representa al punto Q con ese valor particular de IB.

13 Polarización en DC. Operación Lineal La región a lo largo de la recta de carga que incluye todos los puntos entre los estados de saturación y corte en general se conoce como región lineal de la operación del transistor. En tanto el transistor opere en esta región, el voltaje de salida es idealmente una reproducción lineal de la entrada.

14 Polarización en DC. Operación Lineal

15 Polarización en DC. Distorsión de la Forma de Onda Como se mencionó, en ciertas condiciones de señal de entrada la ubicación del punto Q sobre la recta de carga puede hacer que un pico de la forma de onda V ce se limite o recorte, como se muestra en las partes (a) y (b) de la figura. En ambos casos, la señal de entrada es demasiado grande para la ubicación del punto Q y lleva al transistor al estado de corte o saturación durante una parte del ciclo de entrada. Cuando ambos picos están limitados como en la figura (c), el transistor se lleva tanto a saturación y como a corte por una señal de entrada excesivamente grande. Cuando sólo el pico está limitado, el transistor se lleva hacia corte pero no hacia saturación. Cuando sólo el pico negativo está limitado, el transistor se lleva a saturación pero no a corte.

16 Polarización en DC. Distorsión de la Forma de Onda

19 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión

22 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Hasta este punto se utilizó una fuente de cd aparte, V BB, para polarizar la unión base-emisor porque podía ser variada independientemente de V CC y sirvió para ilustrar la operación de un transistor. Un método de polarización más práctico es utilizar V CC como fuente de polarización única, como muestra la figura. Para simplificar el esquema, el símbolo de batería se omite y reemplaza con una línea que termina en un círculo con un indicador de voltaje (V CC ), como se muestra. Un voltaje de polarización en cd en la base del transistor puede ser desarrollado por un divisor de voltaje resistivo compuesto de R1 y R2, como muestra la figura. V CC es el voltaje de alimentación de cd en el colector. Existen dos trayectorias para la corriente entre el punto A y tierra: una a través de R 2 y la otra a través de la unión base-emisor del transistor y R E.

23 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión En general, los circuitos de polarización con divisor de voltaje se diseñan de modo que la corriente en la base sea mucho menor que la corriente (I 2 ) que pasa a través de R 2 en la figura. En este caso, es muy fácil analizar el circuito divisor de voltaje porque el efecto de carga de la corriente en la base puede ser ignorado. Se dice que un divisor de voltaje en el que la corriente en la base es pequeña, comparada con la corriente en R 2, es un divisor de voltaje rígido porque el voltaje en la base es relativamente independiente de los diferentes transistores y efectos de temperatura.

24 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Idealmente, un circuito divisor de voltaje es rígido, lo que implica que el transistor no aparece como una carga significativa. El diseño de cualquier circuito implica intercambios; uno de ellos es que los divisores de voltaje rígidos requieren resistores más pequeños, que no siempre son deseables a causa de los potenciales efectos de carga en otros circuitos, además de requerimientos de potencia agregados. Si el diseñador del circuito deseara elevar la resistencia de entrada, el divisor podría no ser rígido y requeriría un análisis más detallado para calcular parámetros de circuito. Para determinar si el divisor es rígido, es necesario examinar la resistencia de salida de cd viendo hacia la base, como muestra la figura.

26 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Efectos de carga de la polarización con divisor de voltaje Resistencia de entrada de cd en la base del transistor: La resistencia de entrada de cd del transistor es proporcional a b CD, así que cambiará para los diferentes transistores. Cuando un transistor opera en su región lineal, la corriente en el emisor es b CD I B. Cuando el resistor en el emisor es visto desde el circuito de la base, el resistor parece ser más grande que su valor real por un factor de b CD debido a la ganancia de corriente en el transistor. Es decir, R ENT(BASE) = b CD R E Esta es la carga efectiva en el divisor de voltaje ilustrado en la figura. El efecto de carga puede ser estimado de inmediato comparando b CD R E con el resistor R 2 en el divisor de voltaje. En tanto b CD R E sea por lo menos diez veces más grande que R 2, el efecto de carga será de 10% o menos y el divisor de voltaje será rígido. Si b CD R E es menos de diez veces menor que R 2 deberá combinarse en paralelo con R 2.

27 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Efectos de carga de la polarización con divisor de voltaje Resistencia de entrada de cd en la base del transistor:

28 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Estabilidad de la polarización con divisor de voltaje Para analizar un circuito con transistor polarizado utilizando un divisor de voltaje en cuanto a efectos de carga de la corriente en la base, se aplica el teorema de Thevenin. Se utilizará este método para evaluar el circuito. En primer lugar, se obtiene un circuito baseemisor equivalente del circuito de la figura (a) por medio del teorema de Thevenin. Viendo hacia fuera desde la terminal base, el circuito de polarización puede ser redibujado como muestra la figura (b). Aplique el teorema de Thevenin al circuito a la izquierda del punto A, con V CC reemplazado por un corto a tierra y el transistor desconectado del circuito. El voltaje en el punto A con respecto a tierra y la resistencia es:

29 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Estabilidad de la polarización con divisor de voltaje

31 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Transistor pnp polarizado con un divisor de voltaje. Un transistor pnp requiere polaridades opuestas a las del npn. Esto se logra con un voltaje de alimentación negativo en el colector, como en la figura (a), o con un voltaje de alimentación positivo en el emisor, como en la figura (b). En un esquema, el pnp con frecuencia se traza invertido, de modo que la línea de voltaje de alimentación pueda ser trazada a través de la parte superior del esquema y la tierra en la parte inferior. El procedimiento de análisis es básicamente el mismo que para el circuito de transistor npn.

32 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Transistor pnp polarizado con un divisor de voltaje.

33 Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Transistor pnp polarizado con un divisor de voltaje. Para un divisor de voltaje rígido (ignorando los efectos de carga), el voltaje en la base es

36 Polarización del Emisor

39 Polarización del Emisor La polarización del emisor proporciona una excelente estabilidad de polarización pese a los cambios de b o temperatura. Utiliza voltaje de fuente tanto positivo como negativo. Para obtener una estimación razonable de los valores de cd clave en un circuito polarizado por el emisor, el análisis es bastante fácil. En un circuito npn, tal como el mostrado en la figura, la pequeña corriente en la base hace que el voltaje en ésta se reduzca un poco por debajo de tierra. El voltaje en el emisor es la caída de un diodo menor que éste. La combinación de esta pequeña caída a través de R B y V BE hace que el emisor esté aproximadamente a -1V. Con esta aproximación, la corriente en el emisor se obtiene como:

40 Polarización del Emisor Se puede aplicar la aproximación de que I C I E para calcular el voltaje en el colector La aproximación de que V E -1V es útil para solucionar fallas porque no es necesario realizar cálculos detallados. Como en el caso de polarización por medio de divisor de voltaje, existe un cálculo más riguroso en los casos en los que se requiere un resultado más exacto.

41 Polarización del Emisor La aproximación de que V E -1V y la omisión de b CD pueden no ser suficientemente precisas para un diseño o análisis detallado. En este caso se aplica la ley de voltaje de Kirchhoff, como se describe a continuación, para desarrollar una fórmula más detallada para I E. La ley de voltaje de Kirchhoff aplicada alrededor del circuito base-emisor de la figura (a), el cual se volvió a trazar en la parte (b) para su análisis, da la siguiente ecuación:

44 Polarización de la Base

45 Polarización de la Base Este método de polarizar es común en circuitos de conmutación. La figura muestra un transistor polarizado por la base. El análisis de este circuito en la región lineal muestra que depende directamente de b CD. Comenzando con la ley de voltaje de Kirchhoff alrededor del circuito de la base,

46 Polarización de la Base La ley de voltaje de Kirchoff aplicada alrededor del circuito colector de la figura proporciona la siguiente ecuación:

47 Polarización de la Base Estabilidad del punto Q con la polarización de base. Observe que la I C depende de b CD. La desventaja de esto es que una variación de b CD hace que I C, y consecuentemente V CE, cambien, modificando así el punto Q del transistor. Esto hace que el circuito de polarización de la base sea extremadamente dependiente de b y, por tanto, también sea impredecible. Recuerde que b CD varía con la temperatura y la corriente en el colector. Además, existe una gran dispersión de los valores de b CD de un transistor a otro del mismo tipo debido a variaciones de fabricación. Por estas razones, rara vez se utiliza la polarización de la base en circuitos lineales; se describe aquí para que usted se familiarice con ella.

48 Polarización con Realimentación del Emisor

49 Polarización con Realimentación del Emisor Si se agrega un resistor en serie con el emisor al circuito de polarización de la base, el resultado es la polarización con realimentación del emisor, como muestra la figura. La idea es ayudar a hacer la polarización de la base más predecible con realimentación negativa, la cual anula cualquier cambio intentado de la corriente en el colector con un cambio opuesto del voltaje en la base. Si la corriente en el colector trata de incrementarse, el voltaje en el emisor se incrementa, lo que aumenta el voltaje en la base porque V B = V E + V BE. Este incremento del voltaje en la base reduce el voltaje a través de R B, reduciendo así la corriente en la base y evitando que la corriente en el colector se incremente.

50 Polarización con Realimentación del Emisor Algo similar ocurre si la corriente en el colector trata de reducirse. En tanto que esto es mejor para circuitos lineales que la polarización de la base, sigue dependiendo de b CD y no es tan predecible como la polarización por medio de divisor de voltaje. Para calcular I E se puede escribir la ley de voltaje de Kirchhoff (LVK) alrededor del circuito de la base.

51 Polarización con Realimentación del Colector

52 Polarización con Realimentación del Colector En la figura el resistor R B en serie con la base está conectado al colector y no a V CC, como se hizo en la configuración de polarización de la base. La realimentación negativa crea un efecto de compensación que tiende a mantener el punto Q estable. Si I C trata de incrementarse, más voltaje cae a través de R C, lo que produce una disminución en V C. Cuando V C se reduce, el voltaje a través de R B se reduce, lo que hace que I B se reduzca. La reducción de I B produce menos I C, la que a su vez hace que caiga menos voltaje a través de R C y por lo tanto compensa la reducción de V C.

55 Polarización con Realimentación del Colector Estabilidad del punto Q con respecto a la temperatura. La corriente en el colector depende en cierto grado de b CD y V BE. Esta dependencia, desde luego, puede ser reducida al mínimo si se hace R C >> R B /b DC y V CC >> V BE.Una característica importante de la polarización con realimentación del colector es que esencialmente elimina la dependencia de b CD y V BE, incluso si las condiciones especificadas se satisfacen. b CD varía directamente con la temperatura y V BE varía inversamente con la temperatura. A medida que la temperatura se eleva en un circuito con realimentación del colector, b CD se eleva y V BE se reduce. El incremento de b CD actúa para incrementar I C. La reducción de V BE actúa para incrementar I B la que, a su vez también actúa para incrementar I C. En el momento en que I C trata de incrementarse, la caída de voltaje a través de R C también lo hace. Esto tiende a reducir el voltaje en el colector y consecuentemente al voltaje a través de R B, reduciéndose así I B y compensando el incremento intentado de I C y la reducción intentada de V C. El resultado es que el circuito con realimentación del colector mantiene un punto Q relativamente estable. Cuando la temperatura se reduce ocurre la acción inversa.