6.1- Diseño de Amplificadores de Señal Con BJT
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1
5.- Diseño de amplificadores de señal con BJT
a) Emisor Común
b) Base Común
c) Colector Común
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5.1. Ubicación grafica del punto Q para Máxima Excursión
Simétrica de Salida, M.E.S.S.En la Figura 5.1, se muestra la ubicación del punto de operación (ICQ,VCEQ) para lograr
una máxima amplificación sin distorsión simétrica a la salida, en un amplificador clase A.
Figura 5.1. Ubicación
optimizada del punto Q.
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Las expresiones para ubicar el punto Q a media recta de carga, se presentan a continuación.
CC CQ
CA CD
V I
R R
Donde:
representa la resistencia de la recta de carga en condiciones de
representa la resistencia de la recta de carga en condiciones de
CA
CD
R CA
R CD
El valor particular de RCA y RCD, depende de la configuración del transistor (EC, BC y
CC).
1
CC CEQ
CA CD
V V
R R
' 2CC CEQV V 2
CMAX CQ I I '
CMAX
CC
CD
V I
R
'
0 2 MAXpp C L CC V ICQ R R V
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Teorema de Máxima Transferencia de Potencia, T.M.T.P.
Analizando el circuito eléctrico que se muestra en la Figura 5.5. la potencia en la carga
esta determinado por la expresión:
2 2
2
2
IN L IN L L L
g L g L
V RV P I R R
r R r R
La máxima transferencia de potencia se determinacon la condición::
2
2
2
2
2 22 2
2
0
22 g
g L L g L L
L L L IN
L g L
g L g L L g L L IN IN
L g L
d r RdRr R R
dP dR dRV
dR r R
r r Rr R R r RdP V V
dR r R
2 2 L g L R r R
2
2
20
L
g L
R
r R
2 20
g L g Lr R r R
T.M.T.P
Figura 5.2.
“La resistencia de salida del generador
debe de ser igual a la carga para
máxima transferencia de potencia”
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5.2. Derivación de ecuaciones de diseño del Amplificador Emisor
Común para modelo de parámetros híbridos
5
Figura 5.3 Amplificador Emisor-Común Figura 5.4. Parámetros h del BJT Emisor-Común
En la Figura 5.3, se muestra el circuito eléctrico que se analizará para desarrollar lasecuaciones de diseño, y en la Figura 5.4 se muestra el equivalente en parámetros h del BJT
en configuración Emisor-Común.
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En la Figura 5.5, se muestra el circuito eléctrico equivalente en parámetros híbridos para el
amplificador emisor-común. Las condiciones que se aplican con:
Figura 5.5. Equivalente eléctrico del Amplificador Emisor-Común con BJT
1 2 0
( )
C C
CC
X X
V se pone a tierra virtualmente GND
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En la Figura 5.6, se muestra el circuito eléctrico equivalente simplificado, a partir de las
siguientes condiciones:6
1 2
1 2
0, 10re oe
TH
h h S
R R R
R R
Figura 5.6. Equivalente simplificado de la Figura 5.3.
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Se desarrolla primero la expresión para el calculo de la resistencia de entrada, R IN.
IN IN TH ie fe E
IN
TH ie fe E IN IN
IN TH ie fe E
V R R h h R I
R h h RV R
I R h h R
Se desarrolla la expresión para el calculo
de GV. Se analiza la malla de entrada por
divisor de corriente, obteniéndose:
TH inb
TH ie fe E
R I i
R h h R
Analizando la malla de salida por
divisor de corriente, se obtiene:
C fe bC C L
C L C L
R h I R I i
R R R R
C L fe C L fe TH C L fe TH inO L L b in
C L TH ie fe E TH ie fe E in
C L fe TH O
in
R R h R R h R R R h R V V i R I I
R R R h h R R h h R R
R R h RV
V
TH ie fe E R h h R
TH ie fe E R h h R
TH R
C L fe
V
ie fe E ie fe E
R R hG
h h Rh h R
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C L
V ie
E
fe
R RG
h R
h
Finalmente, se obtiene la expresión:
De la expresión de GV, se puede concluir que la ganancia de voltaje depende
directamente del valor que tome R E.
0 E V si R entonces G Problema: Se pierde estabilidad con
respecto a cambios de hfe
La solución es poner un capacitor de paso que divida a R E en R E1 y R E2, como seobserva en la Figura 5.7. La nueva expresión para el calculo de GV queda como:
1
1 2
1 2
1 2 2
1
Determina la estabilidad
Determina la ganancia de voltaje
CD
CA
CA
C L
V ie
E
fe
E E E
E E E
E E CE E CE E
E E
R RG
h R
h
R R R
en CD R R R
en CA R R X R si X R
R R
Figura 5.7.
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Analizando la malla de salida , se puede obtener la expresión para R O.
La resistencia que se observa es el paralelo de R C y
la resistencia de la fuente de corriente hfeI b. Como
la fuente de corriente es ideal, entonces se cumple:
O C R R
Resumen de ecuaciones de diseño para configuración Emisor-Común
TH ie fe E
IN
TH ie fe E
R h h R R
R h h R
1
C L
V
ie fe E
R RG
h h R
O C R R 1 2
CA E E CE E R R para X R
El signo menos indica
desfasamiento de
180°0
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5.3. Derivación de ecuaciones de diseño del Amplificador Emisor Común
para modelo de transconductancia
En la Figura 5.8a y 5.8b, se muestra el circuito eléctrico equivalente a utilizar.
Figura 5.8. a) Modelo de transconductancia, b) equivalente eléctrico del amplificador
emisor-común
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Resistencia de entrada, R IN.
IN IN TH fe E
IN
TH fe E
IN
TH fe E
V R R r h R
I
R r h R R
R r h R
Ganancia de voltaje, GV
yC LO L L m be be b
C L
in TH b
TH fe E
R RV R i g v v r i
R R
V Ri
R r h R
TH fe E R r h R
Vin TH be
TH fe E TH fe E
O TH C L m
in
V R sustituyendo en v y o
R r h R R r h R
V R R R g r
V
TH R
m C L
m E m E
g r R R
r g r R r g r R
El signo menos indica
desfasamiento de
180°0
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Resistencia de salida, R O.
O C R R
Comparación de ecuaciones de diseño para configuración Emisor Común
párametros h transconductancia
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Ejercicio 5.1
Calcúlese los valores de componentes adecuados para diseñar un amplificador emisor-
común con los siguientes datos: GV=20, Rin no es condición, VCC=12V, R L=1k Ω, lacorriente de reposo en colector será de 10mA. El transistor a utilizar presenta los
siguientes parámetros: hfe_min=100, hfe_nom=173, hie=300Ω, VA=200V. utilice los dos
modelos vistos y no considere M.E.S.S como primer aproximación.
Solución: Parámetros h.
Se calcula primero el valor de R E_CD para ubicar el punto de operación ICQ=10mA, como
no se considera M.E.S.S se toman inicialmente las siguientes condiciones para facilidad
de diseño:
_
_
_
_
12V 12 = 6 1.2
2 2 10 101.2
12010
12 1.2 6480
10
CC CC CEQ RE CD
RE CD
E CD
CQ
CC RE CD CEQ
C
CQ
V V V V V y V V
V V R
I mA
V V V V V V R
I mA
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15
1
1
2 _ 1
480 1 300
20 100
13.21
120 13.21 106.78
C L ie E
V fe
E
E E CD E
R R k h R
G h
R
R R R
1
1
1200 300 100 13.21
1200 300 100 13.21
689.54
TH ie fe E
IN
TH ie fe E
IN
IN
R h h R R
R h h R
R
R
_
_
0.1
0.1 100 120
1200
101200 0.7 1.2
100
2.02
TH fe E CD
TH
TH
CQ
TH TH be RE CD
fe
TH
TH
R h R
R
Ri
V R V V h
mAV V V
V V
1
2
1200 12
7.122.02
12001.44
2.021 1
12
TH CC
TH
TH
TH
CC
R V V
R k V V
R R k
V V
V V
Se calcula el valor de R E1 para ajustar la GV solicitada.
480O C R R
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Solución: Parámetros de transconductancia
_
_
_
_
12V 12
= 6 1.22 2 10 10
1.2120
10
12 1.2 6480
10
CC CC
CEQ RE CD
RE CD
E CD
CQ
CC RE CD CEQ
C
CQ
V V V
V V y V V
V V R
I mA
V V V V V V R
I mA
_
_
0.1 0.1 100 120 1200
101200 0.7 1.2 2.02
100
TH fe E CD
CQ
TH TH be RE CD
fe
R h R
i mAV R V V V V V
h
1
2
1200 127.12
2.02
12001.44
2.021 1
12
TH CC
TH
TH
TH
CC
R V V R k
V V
R R k
V V
V V
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17
0
25.8 25.8 100258
10
10 38725.8 25.8
20020
10
b
CQ
m
A
CQ
mV mV r
i mA
I mA mA g V mV mV
V V r k
I mA
1
2 _ 1
480 11 1 13.6320 387
120 13.63 106.37
C L
E
V m
E E CD E
R R k RmAG g
V
R R R
1200 258 100 13.63
689.54
IN TH fe E
IN
R R r h R
R
480O C R R
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Circuito eléctrico a simular
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Simulación en CD, punto de operación
2.02 1.88
6 7.24 1.19 6.05
1.2 1.19
0.7 1.88 1.19 0.69
10 9.91
TH TH
CE CE
E E
BE BE
C C
Téorico Simulado
V V V V
V V V V V V
V V V V
V V V V V V
I mA I mA
D L b H G
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Simulación en AC, Gráfico de transferencia
D L b H á G á
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Simulación en el tiempo
5.96 18.620.32
V
V GV
max CQ
max
max
1.8 I
1.8 10 1 480
6.17
O pp L C
O pp
O pp
V R R
V mA k
V V
D L b d H á d G ál
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Impedancia de entrada, ZIN
D L b d H á d G ál
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Ejercicio 5.2
Para los datos del problema 5.1 calcule los valores de componentes adecuados para
diseñar un amplificador emisor-común , considerando M.E.S.S. y T.M.T.P.
Solución: Parámetros h
Para cumplir el M.E.S.S. y el T.M.T.P se debe de encontrar un nuevo valor de ICQ.
Se calcula primero el valor de R E1 para ajustar la GV, y con este valor se calcula R CA para
la condición del T.M.T.P.
1
1
1 1 30022
20 100
1 1 13.21 513.21
C L ie E
V fe
CA C L E
R R k h R
G h
R R R R k k
Como se considera M.E.S.S. se tiene que encontrar el valor apropiado de ICQ así comode R E1 y R E2. se parte de las expresiones 1 y 2:
1 2
1 2
(1)
0.1 (2)
CC CC CQ
CA CD CA C E E
CC RE E E E
CQ CQ
V V I
R R R R R R
V V R R R
I I
D L b d H á d G ál
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24
0.1 100 120 1200
101200 0.7 1.2 2.02
100
TH
TH
R
mAV V V V
1
2
1200 12 7.122.02
12001.44
2.021 1
12
TH CC
TH
TH
TH
CC
R V V R k V V
R R k
V V
V V
1200 300 100 22
1200 300 100 22
810
IN
IN
R
R
2 1
0.1 12 0.1 12 7.1513.21 1
0.1 12120 120 22 98
10
CC CC CQ
CA C
E E E E
V V V V I mA R R k
V R R R R
mA
Sustituyendo R E (2) en ICQ (1) se trabaja algebraicamente para obtener la solución para
el nuevo ICQ:
D L b d H á d G ál
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25
_
'
_
'
2 7.1 14.2
1 120 1.212
101.2
2 2 4.24 8.48
CMAX
E CD C E
CC CMAX
E CD
CC CEQ
I mA mA
R R R k k V V
I mA R k
V V V V
0
12 7.1 1 92 4.24
1.8 7.1 1 1 6.396.39
0.31920
CEQ
MAXpp
INMAXpp
V V mA k V
V mA k k V V
V V
D L b d H á d G ál
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Ejercicio 5.3
Calcúlese los valores de componentes adecuados para diseñar un amplificador emisor-
común con los siguientes datos: GV=25, Rin=1k Ω, VCC=15V, R L=1k Ω, la corriente dereposo en colector deberá de cumplir el criterio de máxima excursión simétrica de salida.
El transistor a utilizar presenta los siguientes parámetros: hfe_min=100, hfe_nom=173,
hie=300Ω, VA=200V. Considere M.E.S.S. y T.M.P.S. y utilice uno de los dos modelos
vistos.
Ejercicio 5.4
Calcúlese los valores de componentes adecuados para diseñar un amplificador emisor-
común con los siguientes datos: GV=50, Rin=5k Ω, VCC=12V, R L=1k Ω, la corriente de
reposo en colector deberá de cumplir el criterio de máxima excursión simétrica de salida.El transistor a utilizar presenta los siguientes parámetros: hFE _ min=100, hfe_nom=173,
hie=300Ω, VA=200V. Considere M.E.S.S. y T.M.P.S. y utilice uno de los dos modelos
vistos.