Sesión 13 El transistor como dispositivo amplificador: polarización y parámetros de pequeña señal. Componentes y Circuitos Electrónicos José A. Garcia Souto www.uc3m.es/portal/page/portal/dpto_tecnologia_electronica/personal/joseantoniogarcia
OBJETIVOS Transistor como Dispositivo Amplificador Entender el principio de amplificación mediante un BJT y la necesidad de la polarización. Analizar circuitos de polarización para BJT. Recta de carga y punto de trabajo. Conocer y utilizar los circuitos equivalentes de Pequeña Señal de transistores BJT. Conocer los parámetros básicos asociados al funcionamiento en pequeña señal de transistores BJT: hfe, β0, gm, rπ, r0. Y calcularlos a partir del punto de trabajo. 2
Concepto de amplificación con BJT I C (ma) 60 SATURA Vo 0 V 50 40 30 20 10 AMPLIFICACION Vo = G Vi CORTE Vo = Vcc 0 0,2 0,4 0,6 0,8 V BE(V) Pequeñas variaciones de Vi se traducen en mayor variación de Vo aportando ganancia Vo/Vi Es preciso situarse alrededor de un punto de trabajo VBE-Q, VCE-Q 3
El transistor como amplificador I C VBB es una fuente de continua que con RB proporciona un punto de trabajo (polarización) : v = 0 v g I B I B (µa) 60 50 V BE V CE I E IB 40 30 20 10 VBE VBB V BE (V) Introducimos una señal variable sumada a VBB V BB+ v g 4
Recta de carga dinámica I B (µa) 60 50 I BQ 40 I B Q Las variaciones de la tensión de entrada se traducen en desplazamientos de la recta de carga: 30 20 i B = ( V BB + v R i B ) v BE 10 V BE 0 0,2 0,4 0,6 0,8 V BE(V) V BEQ Se producen pequeñas variaciones de la tensión base-emisor y de la corriente de base del dispositivo alrededor del punto de trabajo. 5
Recta de Carga (II) Recta de carga estática (Punto de trabajo) I C (ma) 6 I C (ma) 60 µa 6 Recta de carga dinámica (Variaciones en la salida) 60µAµ IC 5 4 50 µa I B =40 µa I CQ 5 4 I C Q I B 50µA IBQ =40µA 3 2 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 VCE VCC i C = V CC v R C CE 30 µa 20 µa 10 µa 0µA V CE (V) 3 2 1 V CE 30µA RECTA DE CARGA ALT. 20µA 10µA 0µA 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 V CEQ V CE (V) La corriente de colector varía proporcional a la corriente de base (y a la tensión base-emisor). Se producen variaciones de la tensión colector-emisor (salida) amplificadas con respecto a la tensión de entrada. 6
Ejemplo: amplificador en emisor común I B (µa) 60 V i ± 200mV I BQ 50 40 30 I B Q V Q BE 0, 6 I Q V B 40µ A 20 10 V BE 0 0,2 0,4 0,6 0,8 V BE (V) V BE ± 50mV I B ±10µA EJEMPLO RC = 3 kω RB = 15 kω VCC = 18 V VBB = 1,2 V β = 100 vi = 0,2 V (pico) I CQ V BEQ I C (ma) 6 5 4 I C Q I B 60µA 50µA I BQ =40µA 3 30µA 2 1 V CE 0µA 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 V CE (V) V CEQ RECTA DE CARGA ALT. 20µA 10µA I Q C 4 ma VCE Q 6V I C ± 1mA V CE ± 3V 7
Variaciones de pequeña señal IC (ma) Relación entre las variaciones de la corriente de colector y las variaciones de la tensión baseemisor (curva de transferencia). 60 50 ICQ Q 40 30 IC 20 10 VBE VBEQ UC3M 2009 Si se producen pequeñas variaciones alrededor del punto de trabajo (pequeña señal), puede establecerse una aproximación lineal de transconductancia gm. Será generalizable a otros dispositivos transistores VBE (V) CCE - Sesión 13 8
OBJETIVOS Transistor como Dispositivo Amplificador Entender el principio de amplificación mediante un BJT y la necesidad de la polarización. Analizar circuitos de polarización para BJT. Recta de carga y punto de trabajo. Conocer y utilizar los circuitos equivalentes de Pequeña Señal de transistores BJT. Conocer los parámetros básicos asociados al funcionamiento en pequeña señal de transistores BJT: hfe, β0, gm, rπ, r0. Y calcularlos a partir del punto de trabajo. 9
Circuitos de polarización Fijar un punto de trabajo estable insensibilizado frente a los parámetros del transistor. Optimizar el circuito amplificador de señal. Separar el circuito de polarización si es necesario (acoplo de señal). 10
Ejemplo: Autopolarizado Circuito práctico Se insensibiliza frente a la ganancia de corriente del transistor. Estabiliza el punto de trabajo frente a VBE, hfe, etc. 11
Ejemplo: Espejos de corriente I O2 R2 = Iref = 10 I R 3 ref I O1 I ref 12
OBJETIVOS Transistor como Dispositivo Amplificador Entender el principio de amplificación mediante un BJT y la necesidad de la polarización. Analizar circuitos de polarización para BJT. Recta de carga y punto de trabajo. Conocer y utilizar los circuitos equivalentes de Pequeña Señal de transistores BJT. Conocer los parámetros básicos asociados al funcionamiento en pequeña señal de transistores BJT: hfe, β0, gm, rπ, r0. Y calcularlos a partir del punto de trabajo. 13
Circuito equivalente de pequeña señal GENÉRICO: BJT, FET, MOSFET, Otros. rin gm IB (µa) IC (ma) 60 50 IBQ Q 40 IB ICQ 30 60 IC (ma) 6 50 5 Q 40 30 20 10 0 ro VBE 0,2 0,4 0,6 VBEQ UC3M 2009 VBE (V) IC IC 10 1 VBE CCE - Sesión 13 20 µ A 10 µ A 3 2 VBE (V) 30 µ A 4 20 VBEQ IB =40 µa 0 µa -V A 0 2 4 6 8 10 12 14 V CE (V) 14
Modelo de transconductancia del BJT: Modelo híbrido en π C B E C π C s n + n + r b p n r c C µ p n + SUSTRATO 15
BJT Completo: Capacidades parásitas y resistencias parásitas incluidas (E-C) 16
BJT Simplificado: Sin elementos parásitos despreciables y a frecuencias bajas(e-c) re, rc 0, Z Cs Frecuencias bajas: Real(Z Cπ ), Real(Z Cµ ) Aún es simplificable: rb 0, ro 17
OBJETIVOS Transistor como Dispositivo Amplificador Entender el principio de amplificación mediante un BJT y la necesidad de la polarización. Analizar circuitos de polarización para BJT. Recta de carga y punto de trabajo. Conocer y utilizar los circuitos equivalentes de Pequeña Señal de transistores BJT. Conocer los parámetros básicos asociados al funcionamiento en pequeña señal de transistores BJT: hfe, β0, gm, rπ, r0. Y calcularlos a partir del punto de trabajo. 18
MODELO HIBRIDO EN π (Ecuaciones de Ebers-Moll) i C vbe VT = I 1 S e V T = KT q Ecuaciones: v π = i b r π v be = i b (r π +r b ) i c = g m v π = g m r π i b β o = i i c b v ce g i = c m v =0, V be CEQ v ce =0, VCEQ r 0 v = i ce c i b = 0, I BQ 19
Parámetros Pequeña Señal gm g m = β0 β o β rπ = ( Ω) g rπ r0 I V CQ T m VA r0 = ( Ω) I CQ ( Ω 1 ) VT 25. 6mV 25mV Tamb = 300º K β o = g m r π Catálogo BC547 BD335 2N222 hfe, hie Cob, Cib Buscar BC547, BD335, 2N222 en http://www.fairchildsemi.com/ 20
Circuitos prácticos de polarización y señal Dibujar el circuito equivalente en continua. Obtener el punto de trabajo. Dibujar el equivalente de pequeña señal. Calcular los parámetros de pequeña señal. EJEMPLO Vcc = 12 V I C 1 ma V E 0 V (DC) R 1, R 2, R E =? R L 1K R g = 50Ω C in = 10µF C o = 100µF Q 1 = BC547B (β F βo 300) (V BE-ON = 0,7 V) (V CE-sat = 0,2 V) 21