INDICE Funcionamiento básico del transistor bipolar. Análisis de la línea de carga de un transistor. Modelos y análisis del transistor en gran señal

Transcripción

1 INDICE Funcionamiento básico del transistor bipolar Análisis de la línea de carga de un transistor Estados del transistor El transistor PNP Modelos y análisis del transistor en gran señal Circuitos de polarización Circuitos equivalentes en pequeña señal El amplificador en emisor común El seguidor de emisor 1

2 FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL TRANSISTOR BIPOLAR NPN Unión B-E PD Unión B-C PI V BC =V B -V C =V BE -V CE Si V BE < V CE V BC < 0 2

3 i E Corriente total del emisor γi E Corriente solo de e - procedentes del E αγi E Corriente de e - de E que llegan a C i C = αγi E + I CS i C = α F i E Curvas características: Curva característica de entrada - Igual a la del diodo. - Unión PN se rige por la e. de Shockley - También v BE disminuye con la Tª. 3

4 Curva característica de salida: - i C es independiente de la v CE ya que no pasa ningún e - del C a la B PI - Valores inferiores a 0,2 cambian la polarización V BE = 0.7 V PD V BC < 0.5V PI V BC -V BE = V B -V C V B +V E =V EC = -V CE V CE = V BE -V BC = = 0.2V Al ser V BE un valor fijo, cualquier valor de V CE superior a 0.2, mantiene la PI, ya que V BC quedará negativa, una tensión menor lo cambia. 4

5 EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR Con pequeñas i B se obtienen grandes i C. β= i C / i B [ ] Mayor β E muy dopado B angosta Relación entre b y a LCK i E =i B +i C [1] Shockley i E =I ES [e VBE/VT -1] [2] Gráfico i c =a i E [3] i c /a =I ES [e VBE/VT -1] [4] V BE >>V T i C I S e VBE/VT [5] [1] y [3] i B =(1-a )i E [6] [5] y [6] i B =(1-a ) I ES [e VBE/VT -1] [7] b = i C / i B b = [a I ES e VBE/VT ]/[(1-a ) I ES e VBE/VT ] b = a /(1-a) [8] 5

6 RECTA DE CARGA V CC y V BB Polarizan el transistor LVK Malla 1: V BB + v in (t) = R B i B + V BE LVK Malla 2: V CC = R C i C + V CE Si v in (t) aumenta i B varia en la r.c. aumenta i c disminuye v CE INVERSION DE v in (t) 6

7 Ejemplo 4.2. Hambley Suponga el circuito anterior con V CC = 10V, V BB =1.6V, R B =40 Ω, R C =2KΩ, la señal de entrada es v in (t)=0.4sen(2000ωt). 1. Hallar el valor de i B mediante la recta de carga. 7

8 2. Construimos la línea de carga sobre la c.c.s. 3. Todos los puntos de v in (t) dan la curva de salida. Ganancia= -5 8

9 Distorsión La salida anterior no es exactamente senoidal hay diferencia respecto a la entrada DISTORSION. CORTE SAT V in max =1.2V i B =50uA i c =5mA V CE =10V Corte V inmin =-1.2V i B =0uA i c =0mA V CE =0V Saturado V in med =0V i B =25uA i c =2.5mA V CE =5V Activo 9

10 EL TRANSISTOR PNP Su fabricación y polarización son contrarias a la del NPN. Ecuaciones: i E =i B +i C i B =(1-a )i E i C =ai E b = i C / i B i E =I ES [e -VBE/VT -1] i B =(1-a ) I ES [e -VBE/VT -1] Curvas características 10

11 EJEMPLO PNP CON RECTA DE CARGA Hallar Q y los valores max. y min. de i B y v o (t) para el circuito de la figura. Invierte la señal? -8.2V 8Ki B +v BE +9V=0 PTO1(0,100uA) PTO2(0.8V,0) I BQ =25uA ; I Bmin= 5uA ; I Bmax= 50uA -3Ki c +v CE +9=0 PTO1(-9,0) PTO2(0,3mA) I CQ =1.25mA ; Ic min= 0.25mA ; Ic max= 2.5mA v CEQ =3.75V ; v CEmin =0.75V; v CEmax =7.5V 11

12 MODELOS EN GRAN SEÑAL 1. ACTIVO (BE PD, BC PI) 2. SATURACIÓN 3. CORTE 12

13 Ejemplo 4.3. Determinar la región de trabajo del NPN en los siguientes casos.(b=100) a) I B =50uA ; I C =3mA I B >0 y I c >0 Activo o Saturado Si estuviera saturado debe cumplirse: βi B >I C 100*50uA=5mA > I c =3mA b) I B =100uA ; V Ce =5V I B >0 y V CE >0.2 Activo c) V BE =-2V; V CE =-1V V BE <0 y V CE <0 Corte 13

14 ANÁLISIS DE CIRCUITOS BIPOLARES EN GRAN SEÑAL 1. Suponemos inicialmente un estado: activo, corte o saturado. 2. Redibujamos el circuito sustituyendo el transistor por su modelo equivalente. 3. Resolvemos el circuito para hallar I c, I B, V CE. 4. Comprobar que los resultados son coherentes con el estado supuesto. 5. Si es correcto hemos terminado si no volvemos al paso 1. * Análisis de polarización Situar Q en zona ACTIVA para amplificar * Buena polarización: evitar variaciones de Q por variaciones de β con Tª. 14

15 POLARIZACION CON BASE FIJA En el circuito de la figura se tiene R B =200K, R c =1k, V cc =15v, B=100.Calcular V CE y I C. 1. Suposición inicial CORTE 2. Sustituir por el modelo equivalente 3. Resolvemos para hallar I c, I B, VCE. I B =0; I C =0; V CE =V C -V E = (15-R C *I C )-0 = 15V VBE=V B -V E = (15-R B *I B )-0 = 15V 15

16 4. Comprobar los resultados con las condiciones del estado supuesto. CORTE V BE <0.5V; V BC <0.5V V BE =15V > 0.5V V CE =15V >0.5V No se cumplen las condiciones NO CORTE 5. Volvemos al punto 1 1. SATURACIÓN Análisis del circuito I B = (15-0.7)/200K = 71.5uA I c =(15-02)/1K = 14.8mA 4. Comprobar las condiciones de saturación SATURACIÓN I B >0 ; βi B >I c I B =71.5uA OK β I B =100*71.5uA=7.15mA <I c =14.8mA NO 5. Nueva suposición. 16

17 1.ACTIVO 2. 3.Análisis del circuito I B =(15-0.7)/200k = 71.5uA I c =β*i B =7.15mA V CE =V CC -R C I c =15V-1K*7.15mA=7.85V 4. Comprobamos con el estado supuesto ACTIVO I B >0; V CE >0.2V I B =71.5uA>0 OK V CE =7.85V>0.2V OK 5. ESTADO ACTIVO. Adecuado para amplificar. 17

18 POLARIZACIÓN EN BASE FIJA CON UNA b MAYOR β= ACTIVO 3. Análisis I B =(15-0.7)/200K=71.5uA I c =β*i B =300*71.5uA=21.45mA V CE =V CC -R C *I c =15V-1K*21.45mA=-6.45V 4. Compruebo ACTIVO I B >0; V CE >0.2 I B =71.5uA OK V CE =-6.45 < 0.2 NO OK 5. Supongo un nuevo estado 1. SATURACIÓN 3.Análisis I c =(15-0.2)/1k = 14.8mA I B =71.5uA 4. Comprobación SATURACION I B >0; β*i B >I c I B =71.5uA >0 OK β*i B =300*71.5uA=21.45mA > 14.8mA OK 5. SATURADO 18

19 CONSECUENCIAS SOBRE EL DISEÑO DEL CIRCUITO DE POLARIZACIÓN ACTIVO SATURADO INCONVENIENTES: * Al variar β varía I c y por tanto el punto Q, pudiendo pasar a otro estado, p.e. SATURACION donde el transistor no amplifica. * En dispositivos de la misma serie β varia SOLUCIÓN: * Hacer que R B varíe para ajustar I B poco práctico Base fija 19

20 CIRCUITO DE POLARIZACION AUTOMÁTICA 1. Suposición ACTIVA 2. Circuito equivalente 3. Análisis del circuito -V BB +V BE + R E I E = 0 I E = (5-0.7)/2K = 2.15mA Indpte b I B = 21.5µA ; I c = 2.15mA V cc = V CE + R E I E +R c I c V CE =6.4V 4. ACTIVO I B > 0 ; V CE >0.2V I B =21.5µA >0 y V CE = 6.4V > 0.2V 20

21 CIRCUITO DE POLARIZACION AUTOMÁTICA CON UNA BETA MAYOR b = 300 I B I c V CE b = µa 2.15 ma 6.4V b = µa 2.14 ma 6.4V Q (V CE, I c ) en independiente de b INCONVENIENTES: Usa dos fuentes diferentes. Al inyectar señal en la base con C, V BB quedaría en corto. SOLUCIÓN: Buscar un circuito similar que solo use una fuente. 21

22 POLARIZACION AUTOMATICA CON CUATRO RESISTENCIAS R 1 y R 2 Divisor de tensión V BB = constante I 1 e I 2 >> I B Puede acoplarse una v in alterna capacitivamente. Análisis Thévenin figura (b) 22

23 V B =V TH ; R B =R TH V B = R B I B R E I E I E = (b +1) I B I B = (V B 0.7) / [R B + (b +1)R E ] Calculamos despues I c, I E y V CE usando la segunda malla. EJEMPLO 4.7. P.A CON CUATRO RESISTENCIAS R TH = R B = R 1 R 2 = 3.3K V TH =V B = 5V I B =41.2 µa (@b=100) I B = 14.1µA (@b =300) I c = 4.12mA (@b =100) I c = 4.24mA (@b= 300) Para un cambio 3:1 en b la variación de I c es [( ) / 4.24] *100 = 3% 23

24 I E =I B + I c I E = 4.16 ma (@b =100) I E = 4.25 ma (@b =300) V CE = V cc R c I c V CE = 6.72 (@b = 100) V CE = 6.51 (@b = 300) DISEÑO DE CIRCUITOS DE POLARIZACION DISCRETOS OBJETIVO: Q independientes de parametros susceptibles de cambio β (fabricación, Tª), V BE (Tª). DISEÑO: R 1 y R 2 V B cte Compromiso R 2 I 2 >10*I B V BE con Tª V B grande V B V BE V B Compromiso V B =1/3 V cc V B =R B I B V E En general V cc =1/3 V R c + 1/3 V CE + 1/3 V E 24

25 FUENTES DE CORRIENTE EN LA POLARIZACION DE CIRCUITOS INTEGRADOS Q1=Q2; Estado ACTIVO; b=100; I S =10-13 ª V BE1 = V BE2 I E1 + I E2 = 2mA I E1 = I E2 = 1mA I B1 = I B2 = I E2 / (b +1) = 9.9µA I c1 = I c2 = b I B2 = 0.99mA I E3 = 5mA I B3 =I E3 / (b +1) = 49.5µA I c3 = b I B3 = 4.95mA I 1 =I c2 I B3 = 0.941mA v o =15V I 1 R c = 10.3V 25

26 CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA SEÑAL Notación de señales: [1] i B (t) = I BQ + i b (t) [2] v BE (t) = V BEQ +v be I total base = I continua + I de la señal Circuito de polarización Q Relaciones entre las componentes de pequeña señal del transistor: [3] i B =(1-a)I ES [exp(v BE /V T ) 1] [1]y[2] en [3] I BQ +i b (t)=(1-a)i ES [exp((v BEQ +v be (t))/v T ) ] I BQ +i b (t)=(1-a)i ES [exp(v BEQ /V T )exp(v be (t)/v T ) ] =I BQ I BQ +i b (t)= I BQ exp(v be (t)/v T ) ] 26

27 v be (t) << V T I BQ +i b (t)= I BQ (1 + (v be (t)/v T )) i b (t)= I BQ (v be (t)/v T ) [4] r π = V T / I BQ Unión be = R [5] i b (t)= v be (t)/r π i C (t) = b i B (t) I CQ + i c (t)=b I BQ + b i b (t) [6] i c (t)= b i b (t) Fuente dependiente de I CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA SEÑAL PARA EL TRANSISTOR BIPOLAR De [4] y [6] i c (t) = (b /r π )v be (t) Transconductancia g m =b / r π [7] r π = V T / I BQ r π = b V T / I CQ [8] [7] y [8] g m = b /[b V T / I CQ ] g m = I CQ /V T [9] Los parámetros de p.señal (g m y r π ) pueden calcularse conocido Q. 27

28 En términos de r π y g m las relaciones entre corrientes y tensiones de pequeña señal queda: v be (t)= r π i b (t) y i c (t)=g m v be (t) Ejercicio A temperatura ambiente un transistor tiene un valor de b = 100. Calcular sus parámetros de pequeña señal para I CQ =10mA. Datos: V T = 26mV b =100 I CQ =10mA I CQ Calcular: g = =385mS m VT βvt r = =260Ω π I CQ 28

29 EL AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN El circuito tiene dos partes a analizar: Análisis en continua: los C actúan como circuitos abiertos, la v s desaparece y R E queda como una única R. Circuito de polarización Análisis en pequeña señal: los C actuarán como cortocircuitos. Elementos: C 1 de acoplo impide que varie Q en la polarización. C 2 de acoplo evita el paso de continua en la salida o bien permite acoplar otra entrada. C E, C de desacoplo permitirá controlar el valor de ganancia. 29

30 C de valor alto Baja Z en alterna Menores f Características más importantes de un amplificador: Ganancia de corriente A I Ganancia de tensión A V Impedancia de entrada Z in Impedancia de salida Z o Ganancia de tensión v in = i b *r π + R E1 *i e = i b *r π + R E1 *(b +1)*i b v out =-b i b R L A v =v out /v in =-(b R L )/ [r π + R E1 *(b +1)] [10] Independencia de los parámetros del transistor :b R E1 *(b +1)>> r π R E1 grande b >> 1 A v =-R L / R E1 [11] 30

31 Impedancia de entrada v in = i b *r π + R E1 *(b +1)*i b Z it =v in /i b = r π + R E1 *(b +1) Terminal B Z in = v in /i in = Z it R B = 1/[(1/R πb )+(1/Z it )] Fuente v s Ganancia de corriente A i = i out /i in =A v (Z in /R L) Ganancia de potencia G = A V *A i Impedancia de salida v s =0 i b =0 b i b = 0 Z out =R C 31

32 EL SEGUIDOR DE EMISOR Ó COLECTOR COMÚN R 1, R 2 y R E Polarización C 1 y C 2 Acoplo Colector a masa Colector común 32

33 Ganancia de tensión A v = v o /v i v o =R L (b +1) i b v in =r π i b + R L (b +1)i b ' R ( β + 1) L A = NO INVERSOR v= ' r + R ( β + 1) Si r π << R L (b +1) A v 1 π L Impedancia de entrada Z it = v in /i b = [r π i b + R L (1+b )i b ] / i b = = r π + R L (1+b ) Z in =[ r π + R L (1+b )] R B Muy grande Z i= = R R B B ( r + π r + π + R ' L R (1+ β)) ' L (1+ β) Ganancia de corriente A i =i o /i i = v R o L Z v in in ' Z R R (1+ β) in = A v = B L R ' B R L R R + r + R (1+ β) L B π L Ganancia de potencia G=A v A i 33

34 Impedancia de salida Z o = v x /i x i x -(v x /R E )+ (b +1)i b =0 [1] R S = R 1 R 2 R s i b R S + r π i b + v x =0 [2] De [2] i b = -v x / (r π + R S ) [3] v v De [1] y [3] = v x x x i + β x 2 R r + R r + R E π s π s Reordenando Z o = v x /i x = 1 R E 1 β + 1 r + R π S + ' Llamando Z OT = ' R S ( β + + r π 1) Z o = R E Z OT 34

35 AMPLIFICADOR EN BASE COMÚN 35

36 Ganancia de Tensión A v = v o /v in v o =R L i c = -R L b i b A v =(-R L b)/r π v in= -r π i b Impedancia de entrada rπ RE ( β + 1) Z in =v in /i in = (-r π i b ) / [v in /R E - ie] Z in = rπ + R ( β + 1) R Z in =R E Ganancia de Corriente A i =i o /i i = A v Z in /R L r π β + 1 Ganancia de Potencia G=A v A i Impedancia de salida Z o v s =0 i E =0 i c =0 Z o = R c 36

37 Indice...1 Funcionamiento básico del transistor bipolar NP.2 EL transistor como amplificador...5 Recta de carga...6 EL TRANSISTOR PNP Ejemplo pnp con recta de carga Modelos en gran señal Análisis de circuitos bipolares en gran señal Polarizacion con base fija POLARIZACIÓN en base fija con una β mayor.. 18 Consecuencias Sobre El Diseño Del Circuito De Polarización Circuito de polarizacion automática Circuito de polarizacion automática con una beta mayor Polarizacion Automatica Con Cuatro Resistencias Ejemplo 4.7. P.A con cuatro resistencias Diseño de circuitos de polarizacion discretos Fuentes de corriente en la polarizacion de circuitos integrados Circuitos equivalentes en pequeña señal Circuitos equivalentes en pequeña señal para el transistor bipolar El amplificador en emisor común El Seguidor De Emisor Ó Colector Común Amplificador en base común