ANÁLISIS DL AMPLIFIADO N MISO OMÚN Jsús Pizarro Pláz. INTODUIÓN... 2. ANÁLISIS N ONTINUA... 2 3. TA D AGA N ALTNA... 3 4. IUITO QUIALNT D ALTNA... 4 5. FUNIONAMINTO... 7 NOTAS... 8. INTODUIÓN l amplificador con transistor bipolar n misor común (n adlant ) s uno d los más utilizados, dbido a sus lvadas ganancias tanto d tnsión como d corrint, como al hcho d tnr unas impdancias d ntrada y salida con valors intrmdios, lo qu l hac idal para tapas intrmdias. l punto d partida dl amplificador n s l conocido circuito autopolarizado n misor común con rsistncia d misor qu s pud aprciar n la figura siguint, al qu s añadn trs condnsadors adicionals. i y o son los condnsadors d acoplo. S usan para acoplar (o sa conctar) l amplificador con las tapas antrior y postrior. Por qué s usan condnsadors y no s hac la conxión dirctamnt? Porqu por una conxión dircta circula cualquir tipo d sñal admás d la sñal a amplificar, como por jmplo la corrint d polarización qu circula por y 2 y fija l punto d trabajo dl transistor. sto s algo qu no nos podmos prmitir, ya qu l punto d trabajo variará n función d la impdancia d ntrada o salida qu pongamos. Sin mbargo los condnsadors, al tnr una impdancia variabl d manra dcrcint con la frcuncia ( para continua, 0 para una frcuncia lo suficintmnt alta), prmitirán qu la tnsión n la bas (o l colctor) prmanzca stabl y djarán pasar la sñal a amplificar (altrna) como si d un conductor s tratas.
s l condnsador d dsacoplo. S usa para dsacoplar (o sa dsconctar) la rsistncia d misor. Para contstar a la prgunta d por qu qurmos dsconctar dicha rsistncia, lo primro qu dbmos hacr s rcordar por qué la incluimos n l montaj. Los transistors bipolars tinn una ganancia d corrint β o h f muy instabl frnt a variacions d tmpratura o d componnt, pudindo llgar a duplicars. D hcho, para l transistor d la figura, n las hojas d caractrísticas lo único qu nos dic l fabricant sobr la ganancia s qu stá n l intrvalo 200 450. La rsistncia d misor proporciona stabilidad al punto d trabajo frnt a stas variacions, pro limita mucho la ganancia. Al incluir l condnsador d dsacoplo, s mantin la stabilidad dl punto d trabajo (ya qu la corrint continua sguirá pasando por ) pro s aumnta la ganancia d la altrna al comportars l condnsador como un cortocircuito para la sñal d altrna, hacindo dsaparcr. 2. ANÁLISIS N ONTINUA Lo primro qu dbmos hacr para analizar l comportaminto dl amplificador, s l análisis n continua. O sa, calcular l punto d trabajo dl transistor. Dbmos trabajar con l circuito d continua dl montaj antrior. l circuito d continua s obtin d manra bastant simpl: basta con fijars n qu lo único qu cambia son los condnsadors qu n continua s comportarán como circuitos abirtos dsaparcindo dl circuito. sto hac qu la ntrada n la bas qud dsconctada, al igual qu la salida, y qu l condnsador d misor dsaparzca, qudando la rsistncia d misor sola. l circuito rsultant s l montaj ya analizado hasta la sacidad n l tma d transistors. omnzamos por dibujar la rcta d carga, qu como sabmos s l lugar gométrico d todos los posibls puntos d trabajo dl montaj y qu no s más qu la cuación d la malla d salida dl circuito suponindo I I. I + + I 5 I. K orts con los js: I 0 I 0 + 5 5.K 3.6mA ircuito quivalnt d continua cta d carga n continua 2
Una vz hallada la rcta d carga, dbmos situar sobr ésta l punto d trabajo n l qu stará nustro transistor. Pusto qu trabajamos con un transistor d lvada ganancia, podmos hacr cirtas suposicions qu facilitn l análisis d continua. sta lvada ganancia nos llva a qu I B sa dsprciabl con rspcto al rsto d corrints dl circuito, por lo qu podmos suponr:. l voltaj n la bas BB srá l fijado por l divisor d tnsión formado por y 2, ya qu s pud suponr qu por la bas no circula corrint. 2. Pusto qu I B s mucho mnor qu I, podmos suponr I I. Tnsión d Bas: Malla d ntrada: 2 K BB 5. 36 + K + 0K 2 I BB B.36 0.7 I 6. 00Ω BB B 6 Malla d salida: I + + I I I 5 6.6mA K 6.6mA 00 Ω 7. 7 ma Q(7.7,6,6mA) Nustro circuito, n ausncia d sñal, prmancrá stabl n su punto d trabajo, mantnindo n l colctor una tnsión constant d 7.7, qu no pasará l condnsador d salida al sr continua lo qu hará qu o 0. 3. TA D AGA N ALTNA Al introducir una sñal d altrna n la ntrada, nustro punto d trabajo variará a lo largo d la rcta d carga d la siguint forma: Al introducir una sñal snoidal varía la tnsión n la bas, d tal forma qu a más tnsión n la bas, más corrint d bas y por tanto más corrint d colctor, mintras qu a mnos tnsión n la bas, mnos corrint d bas y por tanto mnos corrint d colctor. sto s traduc n qu l punto d trabajo s dsplaza a la izquirda (I, ) cuando la sñal d ntrada s mayor qu cro y a la drcha (I, ) cuando s mnor qu cro. Al dcir qu l punto d trabajo s dsplaza a lo largo d la rcta d carga, no nos rfrimos a la rcta d carga hallada antriormnt para continua. n altrna la rcta d carga varía su pndint dbido a qu n la malla d salida la rsistncia ahora no s +, ya qu dsaparc por fcto dl condnsador d dsacoplo, qudando solo. Por otra part, n continua la salida staba abirta dbido al condnsador d acoplo d salida, pro n altrna dicho condnsador s comportará como un conductor, d tal forma qu la corrint d altrna pasará por la rsistncia d colctor y también por la rsistncia d carga, motivando qu s tnga qu dividir ntr las dos rsistncias, por lo qu n altrna la pndint d la rcta d carga srá // L condnsador d dsacoplo. Si ést no aparc, aparcrá n la xprsión antrior qudando. sto s n circuitos con + // L. 3
Al conctar una rsistncia d carga d K a la salida dl circuito antrior, la pndint d la rcta d carga ahora srá // L 0.5K Qudando la rcta d carga d altrna d la siguint forma: K //K Malla d salida n altrna cta d carga n altrna Podmos obsrvar qu la pndint s mayor, dbido a qu la rsistncia s mnor. sto va a motivar qu la rcta d carga no cort al j horizontal n 5, si no n un punto infrior. st punto s fácil d hallar gométricamnt: ( // ) 7.7 + 6.6mA 0.5 K ( cort) ( Q) + I( Q) L Una conscuncia rlvant d sto s qu ahora la tnsión máxima n l transistor no srán 5 si no. sto significa qu la variación máxima dl punto d trabajo hacia la drcha va a star limitada a: O(max) ( cort) ( Q) 7.7 3. 3 La variación máxima a la qu pud somtrs l punto d trabajo s dnomina Margn dinámico y rprsnta l valor d pico máximo d la onda a la salida. Nóts qu l hcho d incluir condnsador d dsacoplo y rsistncia d carga nos limita notablmnt l margn dinámico. l margn dinámico srá un factor a tnr n cunta a la hora d calcular l valor máximo qu pudn tnr las sñals a la ntrada para qu no satur l amplificador como vrmos más adlant. 4. IUITO QUIALNT D ALTNA Para studiar las variacions dl punto d trabajo frnt a pquñas variacions d I B usarmos un circuito quivalnt d altrna. n dicho circuito usarmos un modlo linal para aproximar l comportaminto dl transistor n sta situación. l modlo qu usarmos srá l modlo T o d brs-moll, qu consist n cambiar l transistor por una funt d corrint con una rsistncia como s mustra n la figura. 4
i c s la corrint n l punto d trabajo calculada antriormnt, o sa i c I 6.6mA. r s obtin d la xprsión 25m 25m r, n nustro circuito r 3. 8Ω I 6.6mA Para hallar l circuito d altrna s procd d la siguint forma:. S liminan los condnsadors, ya qu si s han calculado bin, s comportarán como un cortocircuito prmitindo qu ntr la sñal a amplificar y salga la sñal amplificada. Si admás d los condnsadors d acoplo usamos condnsador d misor, qudará cortocircuitada para la corrint altrna, por lo qu no aparcrá n l circuito quivalnt. 2. Pusto qu vamos a hacr l análisis solo para corrint altrna, s limina la funt d continua cortocircuitándola (rcordar l torma d suprposición). sto hac qu las patillas d y qu staban conctadas a qudn ahora conctadas a masa. 3. Al qudar y 2 n parallo, s pudn sustituir por su rsistncia quivalnt 2 // 2 K //0K 0. 9K 4. S sustituy l transistor por su modlo quivalnt para pquña sñal. A partir dl circuito d altrna podmos hallar los valors más rlvants dl amplificador: Ganancia d tnsión, Impdancia d ntrada impdancia d salida. 5
Ganancia d tnsión La ganancia d tnsión srá I r I r o, dond i r I i K 263 3.8Ω y o I, y tnindo n cunta qu I I : La ganancia s ngativa porqu l amplificador n misor común dsfasa la sñal d salida 80º. cordar qu c disminuy al aumntar i y aumnta n caso contrario. n caso d tnr rsistncia d carga y/o rsistncia d misor la xprsión d la ganancia sría distinta, sindo como caso gnral // L r +. Nóts qu al sr mucho mayor qu r, l fcto sobr la ganancia va a sr K 3.8Ω + 00Ω drástico. n nustro caso la ganancia sin condnsador d misor sría 9. 3 D ahí la importancia d usar condnsador d misor. // r r + L Para una rsistncia d carga d K tndríamos 3 K //K 3.8Ω Los valors d ganancia rals srán algo mnors dbido a la rspusta n frcuncia dl circuito. Un factor important a tnr n cunta s l valor máximo d la sñal a la ntrada qu s pud aplicar sin qu s produzca distorsión. sto s pud hallar fácilmnt sin más qu tnr n cunta qu apartado 3) obtuvimos para una rsistncia d carga d K l valor o(max) 3.3, lugo i(max) o (max). n l 3.3 i (max) 25m 3. Obsérvs qu st s l valor máximo. n caso d ondas snoidals, l valor ficaz d la onda sría d 25m 8 2. Ganancia d tnsión Impdancia d ntrada Impdancia d salida Impdancia d ntrada La impdancia d ntrada sta formada por trs impdancias n parallo:, 2 y la impdancia d ntrada al transistor Z it. La impdancia d ntrada al transistor s I r β i r β i b Z it r ii ib ib. 6
Lugo Z i // 2 // r qu n nustro caso s 0K //K // 300 3.8Ω 500Ω β Z i. Hmos tomado β 300 por sr un valor intrmdio ntr los 200 y los 450 qu nos da l fabricant como valors máximo y mínimo para st modlo d transistor. Nóts qu l bajo valor d r hac qu la impdancia d ntrada no puda sr todo lo lvada qu dsaríamos n un amplificador d tnsión, Ya qu aunqu aumntmos l valor d las rsistncias d la rd d polarización, al star r n parallo nos sigu bajando st valor. n caso d no usar condnsador d misor la impdancia d ntrada sría Z // ( r + ) i // 2 β. n st caso si podmos tnr una impdancia d ntrada más lvada (a costa d sacrificar ganancia como hmos visto ants). Impdancia d salida La impdancia d salida dl amplificador srá o ic Zo K i i o ircuito amplificador A partir d stos datos ya podmos tratar nustro circuito dsd l xtrior como un amplificador d tnsión, lo qu facilitará notablmnt l análisis. 5. FUNIONAMINTO amos a analizar l funcionaminto dl amplificador frnt a divrsas sñals d ntrada. Montamos l circuito d la figura n WB. onctamos una funt d 0KHz a la ntrada y obsrvamos las distintas salidas. n las gráficas d la figura la ntrada s rprsnta n rojo y la salida n azul. Para una ntrada d 0m Obtnmos n l colctor la salida d la gráfica. Obsérvs qu xprimnta una oscilación alrddor dl punto d trabajo, d forma qu n los smiciclos positivos d la onda d ntrada l 7
transistor conduc mjor, por lo qu la tnsión n xtrmos s hac mnor, y obtnmos l fcto contrario para los smiciclos ngativos. omo s v la ganancia s, n fcto, ngativa. sta sñal no s una altrna pura, si no qu pos un offst d continua ( (Q) ). l condnsador d acoplo d la salida limina dicha componnt continua, obtniéndos n la carga la sñal d la gráfica 2. Si aumntamos la sñal d ntrada hasta un valor d 30m, qu por lo calculado antriormnt, xcd l valor máximo qu s pud introducir sin distorsión, vmos n la gráfica 3 qu la salida n l colctor quda distorsionada. sto s dbido a qu s supra l valor máximo n l transistor (qu como vimos ran ) y sto hac qu la sñal qud rcortada n su part suprior. Gráfica : para i 0m Gráfica 2: O para i 0m Gráfica 3: para i 30m s intrsant montar l circuito y hacr más comprobacions como srían ganancias, impdancias, dsconctar la rsistncia d misor Pro sto ya quda como jrcicio a ralizar. NOTAS Gráficas, squmas y simulacions ralizadas con lctronics WorkBnch 5.2 Fórmulas y procdimintos obtnidos dl libro d txto lctrónica gnral arrtro, Hrrro, Sánchz- Infants. ditorial ditx 8