RESPUESTA EN FRECUENCIA DE AMPLIFICADORES

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1 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II Dispositivos Elctrónicos II URSO 00 Tma 6 RESPUESTA EN FREUENIA DE AMPLIFIADORES Migul Ángl Domínguz Gómz amilo Quintáns Graña DEPARTAMENTO DE TENOLOGÍA ELETRÓNIA UNIVERSIDAD DE VIGO ESUELA TÉNIA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELEOMUNIAIÓN

2 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INDIE RESPUESTA EN EN FREUENIA (I) (I)

3 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INDIE. INTRODUIÓN RESPUESTA EN EN FREUENIA (I) (I).. ircuitos quivalnts.. Obtivo.3. Diagramas d Bod

4 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INDIE. INTRODUIÓN RESPUESTA EN EN FREUENIA (I) (I).. ircuitos quivalnts.. Obtivo.3. Diagramas d Bod. MODELO EN PI DEL TRANSISTOR BIPOLAR

5 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INDIE. INTRODUIÓN RESPUESTA EN EN FREUENIA (I) (I).. ircuitos quivalnts.. Obtivo.3. Diagramas d Bod. MODELO EN PI DEL TRANSISTOR BIPOLAR 3. MODELO DEL TRANSISTOR UNIPOLAR EN ALTA FREUENIA

6 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INDIE. INTRODUIÓN RESPUESTA EN EN FREUENIA (I) (I).. ircuitos quivalnts.. Obtivo.3. Diagramas d Bod. MODELO EN PI DEL TRANSISTOR BIPOLAR 3. MODELO DEL TRANSISTOR UNIPOLAR EN ALTA FREUENIA 4. RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE DE UNA ETAPA EN EMISOR OMÚN ON SALIDA EN ORTOIRUITO

7 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INDIE. INTRODUIÓN RESPUESTA EN EN FREUENIA (I) (I).. ircuitos quivalnts.. Obtivo.3. Diagramas d Bod. MODELO EN PI DEL TRANSISTOR BIPOLAR 3. MODELO DEL TRANSISTOR UNIPOLAR EN ALTA FREUENIA 4. RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE DE UNA ETAPA EN EMISOR OMÚN ON SALIDA EN ORTOIRUITO 5. RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE DE UNA ETAPA EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA

8 3 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INTRODUIÓN.. INTRODUIÓN.. IRUITOS IRUITOS EQUIVALENTES EQUIVALENTES Estudio d las propidads dinámicas d los amplificadors n pquña sñal incluyndo las capacidads n l análisis: ondnsadors ondnsadors d d acoplo acoplo y y dsacoplo dsacoplo apacidads apacidads intrnas intrnas dl dl transistor transistor > Hacn qu la ganancia disminuya n baas frcuncias (BF) > Hacn qu la ganancia disminuya n alta frcuncia (AF) BF Frcuncias mdias AF

9 4 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INTRODUIÓN B.F. Frcuncias mdias A.F. ircuitos quivalnts dl transistor a) Frcuncias mdias: Ignorar las capacidads intrnas dl transistor onsidrar los condnsadors d acoplo y dasacoplo como cortocircuitos onsidrar la ganancia constant b) Baas frcuncias: Ignorar las capacidads intrnas dl transistor Incluir los condnsadors d acoplo y dsacoplo Si sw> > aproximar los rsultados a frcuncias mdias c) Alta frcuncia: Incluir las capacidads intrnas dl transistor onsidrar los condnsadors d acoplo y dsacoplo como cortocircuitos Si sw > 0 > aproximar los rsultados a frcuncias mdias

10 5 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INTRODUIÓN.. OBJETIVO OBJETIVO Obtnr una stimación d la curva d rspusta n frcuncia d un amplificador mdiant un análisis manual aproximado. Análisis d cada una d las trs zonas (BF, F. Mdias, AF) por sparado. Utilización d circuitos quivalnts sncillos para los transistors. Simulación Simulación por por ordnador ordnador (ORAD (ORAD PSPIE) PSPIE) Prmit obtnr curvas d rspusta n frcuncia d gran prcisión. Análisis Análisis manual manual aproximado aproximado Ida d las principals razons físicas d qu una curva tnga una dtrminada forma. Sugir como morar l disño.

11 6 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II.3 DIAGRAMAS DE BODE.3 DIAGRAMAS DE BODE INTRODUIÓN INTRODUIÓN DE II * Rspusta gnral Exprsión d la ganancia ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) N M q p s p s p s z s z s z s s K s A L L ) ( * Para xcitación snoidal ( ) ) ( N M q P p p p z z z K A L L N n n M m m P p z K K

12 7 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INTRODUIÓN A( * En dciblios N ) n db 0log 0log K p n P 0q log M m 0log z m a) Factor constant 0log K P Positivo si K P > (Amplificación) Ngativo si K P < (Atnuación) 0log K P 0 Factor constant db K P

13 8 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II b) ro n 0 INTRODUIÓN 0log 0 db si 0. 0 db si 0 db si 0 40 db si 00 Pndint positiva d 0 db por década orta al d frcuncias n c) Polo n 0 0log 0log 0 db si 0. 0 db si 0 db si 0 40 db si 00 Pndint ngativa d 0 db por década orta al d frcuncias n

14 8 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II b) ro n 0 INTRODUIÓN 0log 0 db si 0. 0 db si 0 db si 0 40 db si 00 ro n 0 db 0 db/dc Pndint positiva d 0 db por década 0 orta al d frcuncias n c) Polo n 0 0log 0log 0 db si 0. 0 db si 0 db si 0 40 db si 00 Pndint ngativa d 0 db por década orta al d frcuncias n

15 8 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II b) ro n 0 INTRODUIÓN 0log 0 db si 0. 0 db si 0 db si 0 40 db si 00 ro n 0 db 0 db/dc Pndint positiva d 0 db por década 0 orta al d frcuncias n c) Polo n 0 0log 0log 0 db si 0. 0 db si 0 db si 0 40 db si 00 Pndint ngativa d 0 db por década orta al d frcuncias n 0 Polo n 0 / db 0 db/dc

16 9 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INTRODUIÓN d) ro n z i 0log z i 0 db si << zi 0log si >> z i z i (0 db por década) Para z i > 0log 3 db 0 ro n z i db /z i 0 db/dc z i ) Polo n p k 0log 0log p k k p 0 db si << p k 0log si >> p k p k (0 db por década) Para p k > 0log 3 db 0 Polo n p k db /(/p k ) p k 0 db/dc

17 0 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II Adición gráfica d diagramas d Bod (módulo) INTRODUIÓN S xprsa la función compla A(s) como cocint d polinomios con términos constant, cros o polos n l orign, cros y polos S calcula y rprsnta l término constant K P n db para rad s S añad l trmino cro/polo n l orign: rcta d pndint ±0 db/dc, qu pasa por ( rad s, K p ) S añad la contribución d cros ( zn ) y polos ( pm ): dsd la mnor frcuncia d cort, n ordn crcint d cada curva no añad cambio hasta la frcuncia d cort (o db) Un cro o polo d multiplicidad k, proporciona cambios d pndint d ±0 k db/dc

18 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II INTRODUIÓN INTRODUIÓN DE II Exprsión d la ganancia (fas) * Para xcitación snoidal ( ) ) ( N M q P p p p z z z K A L L * En grados Φ Φ N n n M m m c p arctg z arctg q A 90º )] ( [ Φ c 0 si K p 0 80º si K p <0

19 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II * Aproximación asintótica INTRODUIÓN arctg a arctg 0 0º si <<a arctg 90º si >>a arctg [] 45º si a 0, a arctg a 0 a arctg a 5,7º 84,3º m suma 90º n dos décadas p n rsta 90º n dos décadas db 0 0, p 0 fas 0º 0, p 45º 90º Polo n p p p 0 p 0 p

20 3 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II * Emplo INTRODUIÓN

21 4 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II.. MODELO EN EN PI PI DEL TRANSISTOR MODELO EN PI DEL TRANSISTOR Modlo d Giacoltto Para frcuncias f<< /τ B, sindo τ B l timpo mdio d tránsito d los minoritarios a través d la bas, l comportaminto dl transistor pud sr rprsntado por st modlo:

22 5 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II B bas intrna dl transistor (no accsibl) MODELO EN PI DEL TRANSISTOR r bb Rsistncia d disprsión d bas (00 Ω) Rprsnta la rsistncia óhmica dsd B al contacto xtrno B r b r c Rsistncia d la unión basmisor ( kω) Rprsnta la corrint d rcombinación n la bas ant l xcso d minoritarios inyctados Rsistncia d salida (80 kω) Rsistncia d salida dbida al aumnto d I con V E (modulación d la anchura d la bas) r b c Rsistncia d ralimntación intrna por fcto Early (4 MΩ) Tin n cunta l fcto Early (modulación d la anchura d la bas al variar V B ) b b c g m apacidad d la unión basmisor Bao polarización dircta coincidirá con la capacidad d difusión d la unión basmisor (00 pf) apacidad d la unión colctorbas oincid prácticamnt con la capacidad d transición d la unión colctorbas (3 pf) Transconductancia (50 ma/v) Exprsa l hcho físico d qu l xcso d minoritarios inyctados n la bas, y por tanto la corrint d colctor, s proporcional a V b g m I V b' 0 V c

23 6 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II MODELO DEL TRANSISTOR UNIPOLAR MODELO DEL TRANSISTOR UNIPOLAR PARA ALTA FREUENIA g m r d gs, gd ds JFET 0, 0 ma/v 0, MΩ 0 pf 0, pf MOSFET 0, 0 ma/v 50 kω 0 pf 0, pf

24 7 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II Estudio d la ganancia n tnsión d una tapa n funt común MODELO DEL TRANSISTOR UNIPOLAR R D gd v i v o v i v gs gs g m v i r d R D v o ( v v ) i o s gd g m * A frcuncias mdias v i () s g ( r R ) A // V m d ( r // R ) D d v o D A V () s s s gd gd gm R * A frcuncias altas A V > (l fcto d los condnsadors s disminuir la ganancia n alta frcuncia) D r d

25 8 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE DE UNA ETAPA EN EMISOR OMÚN RESPUESTA DE DE LA LA GANANIA DE DE ORRIENTE DE DE UNA ETAPA EN EN EMISOR OMÚN ON SALIDA EN EN ORTOIRUITO Análisis d la ganancia n corrint inhrnt al transistor n función d la frcuncia. El análisis con salida n cortocircuito asgura qu s rfln las limitacions dl dispositivo, por si mismo, indpndintmnt d los componnts xtrnos dl transistor. * ircuito quivalnt B r bb B b c I i v b r b b g m v b r c I L E B E I i r bb v b B r b b b c g m v b I L E E

26 9 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTEDE UNA ETAPA EN EMISOR OMÚN RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTEDE UNA ETAPA EN EMISOR OMÚN DE II I i b b c g m v b IL E r b r bb v b B E B ( ) b m L c b b b b i v g I s r v I ' ' ' ' ' () ( ) c b b b m i s r g s A ' ' ' ( ) ( ) ( ) β π π f f h r f h f r g f A f b c b b f c b b b m i ' ' ' ' ' ' h f g m r b ( ) b c b b r f ' ' ' π β

27 0 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTEDE UNA ETAPA EN EMISOR OMÚN El módulo d la ganancia d corrint s: Si f f A Si f h f A i h Por lo qu f β i β rprsnta la frcuncia d cort a 3 db β ( BF ) ( para R 0) << f Ai hf L f f f β A qué frcuncia A i? A sa frcuncia s l llama f T (frcuncia d transición) y su valor s: f f f f T β T β h f h f f T omo f T >>f β s pud dsprciar l y l rsultado Aproximado sría: f β h f gm g π π m ( b' b' c ) b'

28 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTEDE UNA ETAPA EN EMISOR OMÚN A i s pud xprsar n función d f T n vz d f β : f T dpnd d la corrint d polarización d colctor prsntando un máximo. Valors típicos: f β,6 MHz A i h h f f f f El diagrama d Bod d la ganancia d corrint T f T 80 MHz A i db f T (MHz) I (ma) h f 0 3 db p k f β f T f

29 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE DE LA LA GANANIA DE DE ORRIENTE DE DE UNA ETAPA EN EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA * ircuito quivalnt B r bb RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA E I I i L v b r g m v b rc b b R L B b c E

30 3 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA Torma d Millr En muchos circuitos, una impdancia punta la ntrada y la salida d un amplificador, dando como rsultado una compla función d ganancia difícil d obtnr y d intrprtar. V S R S V V g m V El torma d Millr origina un circuito d polos aislados con aproximadamnt la misma frcuncia d cort suprior qu l amplificador original V V I I <> V I I L V K K V K V Ganancia d Millr

31 4 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA En fcto: V V V V I I <> V V V V En los circuitos qu s van a studiar: K V I I V K K V K V V V V V V (impdancia d un condnsador) Ganancia d Millr aproximada g m R L (númro ngativo y grand) L V V V V R L V K K (carga rsistiva)

32 5 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA V S R S R S V V g m V L V S g m V R L M M M ondnsador Millr (muy grand) (K) Multiplicador Millr o Efcto Millr ( K ) K Dbido al multiplicador Millr, l condnsador Millr dl circuito d ntrada sul sr rsponsabl d un polo n alta frcuncia a una frcuncia sorprndntmnt pquña

33 6 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II Análisis dl circuito quivalnt * ircuito quivalnt B E r bb I I i L v b r g m v b rc b b R L B b c E RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA Aplicando Millr a / b c s obtin: b ' b c ' c ( K ) K

34 7 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA A fctos d análisis l circuito s pud transformar n l siguint: B E r bb I i v b B r b I L b b c (K) g m v b b c (/K) S ha dsprciado r c por suponr qu R L << r c (válido si R L K) R L E Si s supon qu K >>, y qu su valor no dpnd d la frcuncia, ntoncs: b' c K b' c

35 8 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA B E K B I i v b r b V V c b' r bb g m R I L b b c (K) g m v b b c (/K) L (s toma l valor d BF) Valors típicos ntr 0 y 00 R L E La ntrada produc un polo por fcto d b b c (K) cuya constant d timpo rsulta dl ordn d cintos d ns La salida produc un polo por fcto d b c (/K) b c cuya constant d timpo s dl ordn d varios ns El ancho d banda quda limitado por l circuito d ntrada (por lo qu quda como ntrada dspués d aplicar Millr)

36 9 DISPOSITIVOS ELETRÓNIOS II RESPUESTA DE LA GANANIA DE ORRIENTE EN EMISOR OMÚN ON ARGA RESISTIVA La frcuncia d cort a 3 db s: b' b' c Dducción d la ganancia d corrint: I i A i A vb' s rb ' ( f ) i v b' I L f H ( g R ) m L π r b' Esta xprsión s similar a la obtnida para salida n cortocircuito si cambiamos f β por f H. f H <f β g > mnor ancho d banda En todo l cálculo s ha supusto l amplificador alimntado por un gnrador idal d corrint I i m v b' g m r h b' vb' f ( r ' ) r ' h f f fh b b h f g m r b' hf f f H