Amplificador con polarizacin base

Modelos de alterna de los BJT1Modelos de alterna de los BJTSe present la construccin bsica, la apariencia y las caractersticas del transistor, posteriormente se analiz la polarizacin en DC de este dispositivo a detalle. Ahora, comenzaremos por analizar la respuesta de ac a pequea seal del amplificador BJT mediante la revisin de los modelos qu con mayor frecuencia se utilizan para representar al transistor en el dominio senoidal de ac.2AMPLIFICACIN EN EL DOMINIO AC

El transistor puede emplearse como un dispositivo de amplificacin, es decir, que la seal senoidal de salida es mayor que la seal de entrada, o en otras palabras: la potencia de ac de salida es mayor que la potencia de ac de entrada. Por lo que surge la pregunta acerca de, cmo es posible que la potencia de salida de ac sea mayor que la potencia de entrada de ac? 3La conservacin de la energa establece que a travs del tiempo, la potencia total de salida P0 de un sistema no puede ser mayor que su potencia de entrada, Pi, y que la eficiencia definida como = P0/Pi no puede ser mayor a 1. El factor ausente de la exposicin anterior que permite que la potencia de salida de ac sea mayor que la potencia de entrada de ac es la potencia de DC aplicada, que contribuye a la potencia total de salida incluso cuando parte de ella la disipa el dispositivo y los elementos resistivos. 4En otras palabras, existe un "intercambio" de potencia de dc al dominio de ac que permite establecer una potencia mayor de ac de salida. De hecho, se define una eficiencia de conversin por medio de = P0(ac)/Pi(dc) de donde Po(ac), es la potencia de ac en la carga y Pi(dc) es la potencia de dc suministrada.

Para este sistema, el valor pico de la variacin est controlado por el nivel de DC que establece la fuente de alimentacin.5Condensador de acoplo

La siguiente Figura muestra una fuente de tensin alterna conectada a un condensador y a una resistencia. Dado que la impedancia del condensador es inversamente proporcional a la frecuencia, el condensador bloquea de forma efectiva la tensin continua y transmite la tensin alterna. Cuando la frecuencia es lo suficiente alta, la reactancia capacitiva es mucho menor que la resistencia. En este caso, casi toda la tensin de la fuente de alterna aparece en la resistencia. Cuando el condensador se emplea de esta manera, se dice que es un condensador de acoplo, porque acopla o transmite la seal de alterna a la resistencia.

6Los condensadores de acoplo son importantes porque nos permiten acopiar una seal de alterna a un amplificador sin distorsionar su punto Q.Para que un condensador de acoplo funcione apropiadamente, su reactancia tiene que ser mucho menor que la resistencia para la frecuencia ms baja de la fuente de alterna. Como definicin se puede decir que el acoplamiento es bueno cuando se cumple:Xc < 0,1R7Dicho con palabras: la reactancia tiene que ser al menos 10 veces menor que la resistencia para la frecuencia ms baja de operacin.Cuando la regla 10: l se satisface, el circuito de la Figura a se puede reemplazar por el circuito equivalente mostrado en la Figura b. Por qu? El mdulo de la impedancia en la Figura a viene dada por:

8Dado que cualquier circuito bien diseado satisface la regla 10:1, podemos aproximar todos los condensadores de acoplo considerndolos como un cortocircuito en alterna, figura c.

9Ejemplo Utilizando la Figura anterior, la si R = 2 k y el rango de frecuencias va desde 20 Hz a 20 kHz, hallar el valor de C necesario para que se comporte como un buen condensador de acoplo.10Aplicando la regla 10:1, Xc debe ser diez veces menor que R para la frecuencia ms baja.

11Circuito de amplificacin

La Figura b muestra cmo aadir componentes para construir un amplificador. En primer lugar, se utiliza un condensador de acoplo entre la fuente de alterna y la base. Puesto que el condensador de acoplo se comporta como un circuito abierto para la corriente continua, hay la misma corriente continua de base con y sin condensador, y la fuente de alterna. De forma similar, se utiliza un condensador de acoplo entre el colector y la resistencia de carga de 100 k.

12Dado que este condensador es un abierto para la corriente continua, la tensin continua de colector es la misma con y sin condensador, y resistencia de carga. La idea bsica es que los condensadores de acoplo evitan que la fuente de alterna y la resistencia de carga varen el punto Q.

13En la Fig. b la tensin alterna de la fuente es de 100 uV. Dado que el condensador de acoplo se comporta como un cortocircuito en alterna, toda la tensin alterna de fuente aparece entre la base y tierra. Esta tensin alterna genera una corriente alterna de base que se suma a la corriente continua de base existente. En otras palabras, la corriente de base total tendr una componente de continua y una componente de alterna.

14La siguiente fig. (a) ilustra esta idea. Una componente de alterna se superpone sobre la componente de continua. En el semiciclo positivo, la corriente alterna de base se suma a los 30 uA de la corriente continua de base, y en el semiciclo negativo se resta de la misma.La corriente alterna de base produce una variacin amplificada en la corriente de colector debido a la ganancia de corriente. En la Figura (b), la corriente de colector tiene una componente continua de 3 mA, y superpuesta a sta est la corriente alterna de colector.15Dado que esta corriente de colector amplificada fluye a travs de la resistencia de colector, se produce una tensin variable en la resistencia de colector. Cuando esta tensin se resta de la tensin de alimentacin se obtiene la tensin de colector mostrada en la Figura cDe nuevo, se superpone una componente de alterna a una componente de continua. La tensin de colector es una onda sinusoidal que oscila por encima y por debajo del nivel de continua de +15 V.

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Analizando el circuito en DC, y considerando un transistor ideal, tenemos:Componentes continua y alterna, (a) corriente de base, (b) corriente de colector, (c) Tensin de colector17La tensin alterna de colector est invertida, desfasada 180 respecto a la tensin de entrada. Por qu? En el semiciclo positivo de la corriente alterna de base, la corriente de colector aumenta, produciendo una cada de tensin mayor en ta resistencia de colector. Esto significa que hay menos tensin entre el colector y tierra. De forma similar, en el semiciclo negativo, la corriente de colector decrece. Como la tensin en la resistencia de colector es menor, la tensin de colector aumenta.

18Observe el comportamiento del condensador de acoplo de salida. Puesto que se comporta como un circuito abierto para la corriente continua, bloquea la componente continua de la tensin de colector, y como un cortocircuito para la corriente alterna, acopla la tensin alterna de colector a la resistencia de carga. Por esto, la tensin de carga es una seal de alterna pura con un valor medio de cero.

19Ganancia de tensin

La ganancia de tensin de un amplificador se define como la tensin alterna de salida dividida entre la tensin alterna de entrada. Como definicin:

Por ejemplo, si medimos una tensin alterna en la carga de 50 mV para una tensin alterna de entrada de 100 uV, la ganancia de tensin es:

20Clculo de la tensin de salida

Podemos multiplicar ambos lados de la Ecuacin por vin para obtener la siguiente derivacin:

Calculo de la tensin de entradaPodemos dividir ambos lados de la Ecuacin entre Ay para obtener la siguiente derivacin:

21Por ejemplo, el smbolo triangular mostrado en la Figura (a) se utiliza para indicar un amplificador en cualquier diseo. Dado que tenemos una tensin de entrada de 2 mV y una ganancia de tensin de 200, podemos calcular la tensin de salida como sigue:

22Por ejemplo, si la tensin de salida es de 2,5 V. en la Figura (b) Con una ganancia de tensin de 350, la tensin de entrada es:

23Amplificador con polarizacin baseCircuito de Amplificacin24Circuito de amplificacin

La Figura b muestra cmo aadir componentes para construir un amplificador. En primer lugar, se utiliza un condensador de acoplo entre la fuente de alterna y la base. Puesto que el condensador de acoplo se comporta como un circuito abierto para la corriente continua, hay la misma corriente continua de base con y sin condensador, y la fuente de alterna. De forma similar, se utiliza un condensador de acoplo entre el colector y la resistencia de carga de 100 k.

25Dado que este condensador es un abierto para la corriente continua, la tensin continua de colector es la misma con y sin condensador, y resistencia de carga. La idea bsica es que los condensadores de acoplo evitan que la fuente de alterna y la resistencia de carga varen el punto Q.

26En la Fig. b la tensin alterna de la fuente es de 100 uV. Dado que el condensador de acoplo se comporta como un cortocircuito en alterna, toda la tensin alterna de fuente aparece entre la base y tierra. Esta tensin alterna genera una corriente alterna de base que se suma a la corriente continua de base existente. En otras palabras, la corriente de base total tendr una componente de continua y una componente de alterna.

27La siguiente fig. (a) ilustra esta idea. Una componente de alterna se superpone sobre la componente de continua. En el semiciclo positivo, la corriente alterna de base se suma a los 30 uA de la corriente continua de base, y en el semiciclo negativo se resta de la misma.La corriente alterna de base produce una variacin amplificada en la corriente de colector debido a la ganancia de corriente. En la Figura (b), la corriente de colector tiene una componente continua de 3 mA, y superpuesta a sta est la corriente alterna de colector.28Dado que esta corriente de colector amplificada fluye a travs de la resistencia de colector, se produce una tensin variable en la resistencia de colector. Cuando esta tensin se resta de la tensin de alimentacin se obtiene la tensin de colector mostrada en la Figura cDe nuevo, se superpone una componente de alterna a una componente de continua. La tensin de colector es una onda sinusoidal que oscila por encima y por debajo del nivel de continua de +15 V.

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Analizando el circuito en DC, y considerando un transistor ideal, tenemos:Componentes continua y alterna, (a) corriente de base, (b) corriente de colector, (c) Tensin de colector30La tensin alterna de colector est invertida, desfasada 180 respecto a la tensin de entrada. Por qu? En el semiciclo positivo de la corriente alterna de base, la corriente de colector aumenta, produciendo una cada de tensin mayor en ta resistencia de colector. Esto significa que hay menos tensin entre el colector y tierra. De forma similar, en el semiciclo negativo, la corriente de colector decrece. Como la tensin en la resistencia de colector es menor, la tensin de colector aumenta.

31Observe el comportamiento del condensador de acoplo de salida. Puesto que se comporta como un circuito abierto para la corriente continua, bloquea la componente continua de la tensin de colector, y como un cortocircuito para la corriente alterna, acopla la tensin alterna de colector a la resistencia de carga. Por esto, la tensin de carga es una seal de alterna pura con un valor medio de cero.

32Ganancia de tensin

La ganancia de tensin de un amplificador se define como la tensin alterna de salida dividida entre la tensin alterna de entrada. Como definicin:

Por ejemplo, si medimos una tensin alterna en la carga de 50 mV para una tensin alterna de entrada de 100 uV, la ganancia de tensin es:

33Clculo de la tensin de salida

Podemos multiplicar ambos lados de la Ecuacin por vin para obtener la siguiente derivacin:

Calculo de la tensin de entradaPodemos dividir ambos lados de la Ecuacin entre Ay para obtener la siguiente derivacin:

34Por ejemplo, el smbolo triangular mostrado en la Figura (a) se utiliza para indicar un amplificador en cualquier diseo. Dado que tenemos una tensin de entrada de 2 mV y una ganancia de tensin de 200, podemos calcular la tensin de salida como sigue:

35Por ejemplo, si la tensin de salida es de 2,5 V. en la Figura (b) Con una ganancia de tensin de 350, la tensin de entrada es:

36Amplificador con polarizacin de emisor

El amplificador con polarizacin de base tiene un punto Q inestable. Por esta razn, no se utiliza mucho como amplificador, y en su lugar se prefiere el amplificador con polarizacin de emisor con su punco Q estable.37Condensador de desacoplo

Un condensador de desacoplo es similar a un condensador de acoplo porque se comporta como un circuito abierto para la corriente continua y como un cortocircuito para la corriente alterna. Sin embargo, no se emplea para acoplar una seal entre dos puntos, sino que se utiliza para crear una tierra de alterna.38La resistencia R representa la resistencia de Thevenin vista por el condensador. Cuando la frecuencia es lo suficientemente alta, la reactancia capacitiva es mucho menor que la resistencia. En este caso, casi toda la tensin alterna de la fuente aparece en la resistencia. Dicho de otra manera, el punto E queda cortocircuitado a tierra de forma efectiva.Cuando se utiliza de esta manera, se dice que el condensador es un condensador de desacoplo porque desacopla o cortocircuita el punto E a tierra. 39Un condensador de desacoplo es importante porque nos permite crear un punto de tierra para alterna en un amplificador sin distorsionar su punto Q.

Cuando se satisface esta regla, el circuito de la Figura (a) se puede reemplazar por el circuito equivalente de la Figura (b).

(a) Condensador de desacoplo, (b) El punto E est conectado a la tierra de alterna.

40EjemploEn el circuito de la Figura , la frecuencia de entrada de V es 1 kHz. Cul es el valor de C necesario para cortocircuitar de forma efectiva el punto E a tierra?

41SOLUCINEn primer lugar, hallamos la resistencia de Thevenin vista desde el condensador C.

A continuacin, Xc debe ser diez veces menor que Rth. Por tanto, Xc < 37,5 a 1 KHz. Ahora despejamos para obtener C como sigue:

42Circuito con polarizacin de emisor con dos alimentaciones

La siguiente Figura muestra un amplificador con polarizacin de emisor con dos alimentaciones. Anteriormente, se ha analizado la parte de continua de este circuito y hemos obtenido los siguientes valores para las tensiones continuas:

43La Figura anterior muestra dos condensadores de acoplo y un condensador de desacoplo de emisor. Se acopla una seal a la base, la seal se amplifica para obtener la tensin de colector, y la seal amplificada se acopla entonces a la carga.Fjese en las formas de onda. La tensin alterna de la fuente es una tensin sinusoidal pequea. La tensin de base tiene una componente de alterna pequea superpuesta sobre una componente de continua de aproximadamente 0 V. La tensin total de colector es una onda sinusoidal invertida superpuesta sobre la tensin continua de colector de +5,32 V. La tensin en la carga es la misma seal amplificada sin componente continua.44Observe de nuevo que tenemos una tensin continua pura en el emisor como consecuencia directa del uso de un condensador de desacoplo. Si este condensador estuviera en circuito abierto, aparecera una tensin alterna en el emisor, lo que reducira notablemente la ganancia de tensin. Por tanto, cuando tenga que buscar averas en un amplificador con condensadores de desacoplo, recuerde que en todos los puntos de tierra para alterna la tensin alterna tiene que ser igual a cero.45Amplificador con polarizacin mediante divisor de tensin

La siguiente Figura muestra un amplificador con polarizacin mediante divisor de tensin. Para calcular las corrientes y la tensiones continuas, imaginamos que todos los condensadores son circuitos abiertos. Entonces, el circuito de transistor se simplifica al circuito de polarizacin mediante divisor de tensin analizado en dc. Los valores de continua para este circuito son:

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Observe las formas de onda de tensin en el circuito de la Figura anterior. La tensin alterna de la fuente es una tensin sinusoidal pequea con un valor medio de cero. La tensin de base es una tensin alterna superpuesta a una tensin continua de +1,8 V. La tensin de colector es una tensin alterna invertida y amplificada superpuesta a la tensin continua de colector de +6,04 V. La tensin en la carga es igual a la tensin de colector, excepto en que tiene un valor medio de cero.Observe tambin la tensin en el emisor. Es una tensin continua pura de +1.1 V. No hay tensin alterna de emisor porque el emisor est conectado a la tierra de alterna, una consecuencia directa de utilizar un condensador de desacoplo.47regla del 10 por ciento

La corriente total de emisor mostrada en la Figura 9.10 consta de una componente continua y de una componente de alterna, lo que se puede expresar como sigue:

Para minimizar la distorsin, el valor de pico a pico de ie tiene que ser menor que Ieq. Nuestra definicin para trabajar en pequea seal es:

48Esto dice que la seal alterna es pequea cuando la corriente alterna de emisor de pico a pico es menor que el 10 por ciento de la corriente continua de emisor. Por ejemplo, si la corriente continua de emisor es igual a 10 mA, la corriente de emisor de pico a pico debe ser menor que 1 mA para trabajar en el rango de pequea seal.A partir de ahora, nos referiremos a los amplificadores que satisfacen la regla del 10 por ciento como amplificadores de pequea seal. Este tipo de amplificador se utiliza en las primeras etapas de los receptores de radio y de televisin. 49EjemploUtilizando la Figura 9.9, hallar la corriente mxima de emisor para pequea seal.

50SOLUCINPrimero hallamos la corriente de emisor del punto Q, IEQ.

51Recordando la condicin:

52Beta de alterna

La ganancia de corriente en alterna es diferente, y se define como sigue:

Dicho con palabras, la ganancia de corriente en alterna es igual a la corriente alterna de colector dividida entre la corriente alterna de base. En la Figura siguiente, la seal de alterna utiliza slo una parte pequea de la grfica a ambos lados del punto Q. A causa de esto, el valor de la ganancia de corriente en alterna es diferente de la ganancia de corriente en continua, que emplea prcticamente la grfica completa.

53Grficamente es igual a la pendiente de la curva en el punto Q de la Figura. Si hubiramos polarizado el transistor en un punto Q diferente, la pendiente de la curva sera distinta, lo que significa que variara. En otras palabras, el valor de depende de la cantidad de corriente continua de colector.

54En las hojas de caractersticas, dc se especifica como hFE y como hfe. Observe que se emplean subndices en maysculas en el smbolo de la ganancia de corriente en continua. Las dos ganancias de corriente son comparables en valor, no diferencindose en una gran cantidad. Por esta razn, si tenemos el valor de uno, podemos utilizar el mismo valor para los restantes anlisis preliminares.55Formula para la resistencia en alterna de emisor

Aplicando la fsica del estado slido y el clculo, es posible deducir la siguiente importante frmula para calcular la resistencia de emisor en alterna:

Es decir, la resistencia en alterna del diodo de emisor es igual a 25 mV dividida entre la corriente continua de emisor.

56Esta frmula es importante por su simplicidad y por el hecho de que se aplica a todos los tipos de transistor. Su uso est muy extendido en la industria cuando se necesita calcular el valor preliminar de la resistencia en alterna del diodo de emisor. La derivacin supone funcionamiento para pequea seal, temperatura ambiente y una unin base-emisor rectangular. Dado que los transistores comerciales presentan uniones graduales y no rectangulares, habr alguna diferencia respecto del valor obtenido mediante la Ecuacin. En la prctica, casi todos los transistores comerciales tienen una resistencia en alterna de emisor comprendida entre 25 mV/IE y 50 mV/IE.La relacin re es importante porque determina la ganancia de tensin. Cuanto menor sea, mayor ser la ganancia de tensin. 57EjemploCul es el valor de r'e en el amplificador con polarizacin de base de la Figura?

58SOLUCINEncontramos la corriente continua de emisor de aproximadamente 3 mA para este circuito. Aplicando la Ecuacin la resistencia en alterna del diodo de emisor es:

59Transistores de baja potencia Se le llama transistor de baja potencia, o pequea seal, al transistor que tiene una intensidad pequea (IC pequea), lo que corresponde a una potencia menor de 0,5 W. En este tipo de transistores interesar obtener bcc grandes (bcc = 100 300).60Dos modelos de transistor

Para analizar el funcionamiento en alterna de un amplificador a transistores, necesitamos un circuito equivalentede alterna para el transistor. En otras palabras, necesitamos un modelo para el transistor que simule su comportamiento cuando hay presente una seal de alterna.61El modelo en T

Uno de los primeros modelos de alterna fue el modelo de Ebers-Moll mostrado en la Figura siguiente. Cuando se trabaja con pequea seal alterna, el diodo de emisor de un transistor acta como una resistencia de alterna r'e y el diodo de colector como una fuente de corriente ic. Dado que el modelo de Ebers-Moll parece una T tumbada, el circuito equivalente tambin se denomina modelo en T.'62

Modelo en T de un transistor.63Cuando una seal alterna de entrada excita a un amplificador a transistores, se obtiene una tensin base-emisor alterna vbe en el diodo de emisor, como se muestra en la Figura a, la cual a su vez produce una corriente alterna de base ib. La fuente de tensin alterna tiene que suministrar esta corriente alterna de base, de modo que el amplificador funcione apropiadamente. Dicho de otra manera, la fuente de tensin alterna est cargada con la impedancia de entrada de la base.La Figura b ilustra esta idea. Mirando hacia la base del transistor, la fuente de tensin alterna ve una impedancia de entrada Zin(base). A bajas frecuencias, esta impedancia es puramente resistiva y se define como:

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Esta ecuacin nos dice que la impedancia de entrada de la base es igual a la ganancia de corriente en alterna por la resistencia en alterna del diodo de emisor.65