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Unidad 3

Electrónica II

UNIDAD 3: CONFIGURACIONES

COMPUESTAS

OBJETIVO PARTICULAR

El alumno estudiará los diferentes tipos de configuraciones y su análisis

3.1 Conexiones en cascada, cascode y Darlington

3.2 Par retroalimentado

3.3 Circuito CMOS, de fuente de corriente, amplificador diferencial

3.4 Espejo de corriente

3.5 Circuito de amplificador diferencial BiFET, BiMOS y CMOS

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Introducción

Generación de circuitos con ganancias de corriente muy grandes.

Circuitos mixtos para operar a muy baja potencia.

Fuentes de corriente que proporcionan una corriente constante a diversos bloques en un sistema.

Amplificadores diferenciales como la parte básica de un amplificador operacional.

3.1 Conexiones en cascada, cascode y Darlington

Una conexión en cascada es la conexión en serie con la salida de una etapa aplicada como la entrada a la segunda etapa.

Además la ganancia en una conexión en cascada proporciona una multiplicación de las ganancias de las etapas.

( )( )221121 DmDmvvv RgRgAAA −−==

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El siguiente ejemplo es una red de un amplificador FET en cascada.

Donde las impedancias de entrada de la etapa 1 y 2 son:

2

1

Do

Gi

RZ

RZ

=

=

El análisis de CD y AC para amplificadores en cascada es el mismo que se realiza para una etapa individual.

Ejemplo 1: Calcule la ganancia de voltaje, impedancias de entrada y salida. Y finalmente el voltaje de salida de las etapas en cascada. Calcule el voltaje para un carga de 10kΩ.

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Amplificador en cascada BJT

El siguiente circuito es un amplificador en cascada con acoplamiento RC usando BJT.

La ganancia en voltaje esta dada por:

La impedancia de entrada resulta la de la etapa 1 y la impedancia de salida es la de salida de la segunda etapa:

Ejemplo 2: calcule la ganancia de voltaje, voltaje de salida, impedancias de entrada y salida. Calcule el voltaje para un carga de 10kΩ del circuito anterior:

e

LC

r

RRA

||1

−≅

ei rRRZ β|||| 21= oCo rRZ ||=

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Diferentes combinaciones de etapas FET y BJT proporcionaran una ganancia alta de voltaje y una alta impedancia de entrada.

Ejemplo 3 : Utilizando los anteriores cálculos de polarización calcule Zi, Zo, ganancia en voltaje y el voltaje de salida

Conexión Cascode

La configuración base-comun presenta una baja impedancia de entrada. Una conexión Cascode es una conexión en serie de transistores o uno encima de otro.

La cual ayuda mediante la configuración de emisor común.

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El anterior Cascode esta compuesto de dos etapas

Emisor común (EC)

Base común (BC)

Esta configuración proporciona una alta impedancia de entrada y una ganancia de voltaje baja.

La configuración de BC asegura que la capacitancia Miller de entrada sea mínima lo que proporciona una operación adecuada a alta frecuencia.

Otra conexión alternativa Cascode se muestra a continuación

La etapa de emisor común proporciona una ganancia -1

Alta impedancia de entrada hacia la entrada de la base común.

La conexión base común proporciona una alta ganancia

12

12

CC

EE

II

II

≅≅

ββ12 CC II ≅

12 BB II ≅

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Conexión Darlington

Una conexión Darlington opera como una sola unidad consiguiendo una beta muy grande la cual es el producto de las ganancias de corriente de los transistores individuales.

Cuando los transistores tienen ganancias de corriente diferentes, la conexión Darlington proporcionara una ganancia de:

La conexión Darlington es común encontrarla en un encapsulado

NPN Darlington-connected silicon transistor package (2N999).

2

21

21

βββββ

βββ

=

===

D

D

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Polarización en DC de un circuito Darlington

El siguiente circuito es una configuración Darlington básica con una ganancia muy alta de corriente βD

El valor de VBE resulta mayor que la de un transistor regular como se indica en la tabla anterior.

EDB

BEccB RR

VVI

β+−= ( ) BDBDE III ββ ≈+= 1

BEEB

EEE

VVV

IRV

+==

Ejemplo

Calcular los voltajes y corrientes de polarización del siguiente circuito Darlington:

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Circuito equivalente de AC

El siguiente circuito emisor-seguidor Darlington es alimentado por una señal de ac mediante el capacitor C1

y la salida esta dada a través del capacitor C2.

El circuito anterior es sustituido por su equivalente:

La impedancia de entrada

del circuito en AC esta

dada por:

Así la impedancia esta dada por:

i

oib r

VVI

−= ( ) EbDbo RIIV β+=

( ) EDbioiib RIVVVrI β+−=−= 1

( )[ ] ( )EDibEDibi RrIRrIV ββ +≈++= 1

EDib

i RrI

V β+=

( )EDiBi RrRZ β+= ||

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Ejemplo:

Calcule la impedancia de entrada del siguiente circuito para ri = 5kΩ

Ganancia en corriente de AC

La corriente de salida a

través de RE es:

La ganancia de corriente

del transistor es:

La ganancia de corriente del circuito:

Mediante la regla de divisor de voltaje:

( ) bDDbbDbo IIIII βββ ≈+=+= 1

Db

o

I

I β=

i

b

b

o

i

oi I

I

I

I

I

IA ==

( ) iBED

Bi

BEDi

Bb I

RR

RI

RRr

RI

+≈

++=

ββBED

BDi RR

RA

+=

ββ

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Ejemplo:

Calcule la ganancia de corriente del circuito ac

Impedancia de Salida de AC

Para el calculo de la impedancia de salida se utiliza el siguiente modelo:

−+=−+=

i

oD

i

o

E

obD

i

o

E

oo r

V

r

V

R

VI

r

V

R

VI ββ

oi

D

iEo V

rrRI

++= β11

D

iiE

i

D

iE

o

oo

rrR

rrR

I

VZ

ββ||||

11

1 =

++

==

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Ejemplo:

Calculemos la impedancia de salida:

Ganancia de Voltaje de AC

La ganancia se puede calcular mediante el modelo equivalente de ac:

( ) ( )EDEbEbDbo RRIRIIV ββ +=+=

( ) EbDbibi RIIrIV β++=

( )EDEibi RRrIV β++=

( ) ( )EDEEDEi

io RR

RRr

VV β

β+

++= ( )

( ) 1≈++

+==EDEi

EDE

i

ov RRr

RR

V

VA

ββ

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Ejemplo

Calcule la ganancia de voltaje de ac del siguiente circuito:

3.2 Par Retroalimentado

La operación de este circuito es similar a la configuración Darlington.

La diferencia radica en que el par retroalimentado utiliza un transistor PNP para controlar a otro NPN.

Juntos se comportan como un solo dispositivo PNP.

El par retroalimentado ofrece

una ganancia de corriente muy alta.

La cual es el producto de las

ganancias de los transistores

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Polarización en DC

0

0

11121

11

=−−−=−−−

BBEBCBCC

BBEBCCCC

RIVRIV

RIVRIV

ββ

CB

EBCCB RR

VVI

21

11 ββ+

−=

2111 BBc III == β

2222 EBc III ≈= β

2121 cccEc IIIII +≈+=

Ejemplo:

Calcule las corrientes y voltajes de polarización de tal forma que el voltaje de salida Vo sea la mitad del voltaje de alimentación esto es IcRc = 9 volts.

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Análisis en AC

El siguiente circuito muestra primeramente la sustitución de los transistores por su modelo, posteriormente se muestra el mismo circuito arreglado para su análisis

Impedancia de entrada en AC

La impedancia de entrada de ac vista desde Q1es:

11

i

oib r

VVI

−= ( ) ( ) CbCbbCCo RIRIIRIV 222211 βββ ≈+−≈−=

Cbioiib RIVVVrI 2211 β−≈−=

( ) iCbib VRIrI =+ 11211 ββ 1112 bCb III β==

Cib

i RrI

V121

1

ββ+= ( )CiBi RrRZ 121|| ββ+≈

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Ganancia de Corriente en AC

Impedancia de Salida en AC:

Ganancia de Voltaje en AC:

( ) ( )

211

12111112

11122

1

ββ

βββββββ

=

≈+−=−−=

b

o

bbb

bbbo

I

I

III

IIII

iB

B

i

b

b

o

i

oi ZR

R

I

I

I

I

I

IA

+=== 21

1

1

ββ

21

1

21

1

1

11 ||||||

βββββiii

iCo

oo

rrrrR

I

VZ ≅==

11

121

i

oib

CbCCo

r

VVI

RIRIV

−=

≈−= ββ

( ) 121

21

211

121

11

1

1

iC

C

Cii

ov

iC

oiibio

rR

R

RrV

VA

rR

VVrIVV

+=

+==

−=−=

ββββ

ββ

ββ

Ejemplo:

Calcule los parámetros de ac de Zi, Zo, Ai, y Av para el circuito siguiente con una ri1 =3kΩ:

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3.3 Circuito CMOS, de fuente de corriente, amplificador diferencial

Los transistores MOSFET son ampliamente utilizados en circuitos digitales como de canal-n o canal-p.

Estos son conocidos como Complementario MOS (CMOS)

Circuitos de Fuente de Corriente

Una fuente de corriente ideal

proporciona una corriente

constante sin importar la

carga conectada a ella.

Los circuitos de corriente

constante pueden ser

construidos mediante: FET

BJT

Combinacion

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Fuente de Corriente con JFET

Espejo de Corriente

Este circuito proporciona una corriente constante y es usado ampliamente en ICs.

La corriente constante es

obtenida de una corriente

de salida que es el reflejo

de otra corriente constante

del mismo circuito.

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Este circuito es adecuado para circuitos integrados, donde los transistores tienen parámetros idénticos.

Del circuito anterior Ix es una corriente espejo de la corriente I.

Ambas corrientes de IE e IB son

idénticas

Ambas Q1 y Q2 también

son idénticas

ββEE

B

III ≈

+=

1EC II ≈

EEEEE

EX IIIII

II ≈+=+=+=β

βββ

ββ

222

La corriente proporcionada en el colector de Q2 refleja la de Q1.

Ix es establecida por Vcc y Rx es espejo de la corriente que entra al colector de Q2 .

El transistor Q1 esta conectado como diodo

Ejemplos:

X

BECCX R

VVI

−=

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El Siguiente circuito espejo de corriente proporciona una impedancia de salida mas alta que el circuito clásico.

XE

EEE

EX

BECCX

III

III

IR

VVI

=≈

≈+=+≈−=β

ββ

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En esta configuración el JFET proporciona una corriente constante establecida por el valor de IDSS.

Esta corriente es reflejada en Q2 con el mismo valor

DSSII =

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Amplificador Diferencial

Este tipo de circuito es muy común en IC

Esta compuesto de entradas y

salidas separadas y el emisor

conectados entre si.

Con la configuración anterior es posible obtener diferentes combinaciones de señales de entrada:

Terminal Simple

Una señal de entrada y la otra a tierra

Gracias a la conexión de emisor común la señal operara en ambos transistores, obteniendo una salida en ambos colectores

Terminal Doble

Dos señales de entrada de polaridad opuesta

La diferencia de ambas entradas produce la salida en los colectores

Modo Común

La misma señal se aplica a ambas entradas.

La señal de entrada común resulta en señales opuestas en cada colector, estas señales se cancelan produciendo una salida de 0V.

Sin embargo en la practica no se cancelan del todo obteniendo una señal resultante.

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Principales características del Amplificador Diferencial

Ganancia muy alta que se obtiene cuando se aplican señales opuestas en las entradas, en comparación de la ganancia tan pequeña que se obtiene en un modo común

Polarización en DC

Operación en AC del Amplificador

Diferencial

Se aplican señales de entrada separadas con salidas separadas.

Cada transistor es

reemplazado por su

modelo equivalente.

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Circuito equivalente de amplificador diferencial.

Ganancia de Voltaje

de una sola terminal

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Considerando a RE muy grande se obtiene el circuito siguiente:

Operación en modo común

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Uso de una fuente de corriente constante

Ejemplo:

Calcule la ganancia en modo común.

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Amplificador Diferencial: BiFET, BiMOS y

CMOS

Diferencial BiFET el cual es construido por BJTs y FETS

Los transistores BJT son utilizados

como fuente de corriente para

asegurar que ambos FETs esten

polarizados a la misma corriente.

Los JFETS proporcionan una alta

impedancia de entrada

Diferencial BiMOS, utilizada transistores MOSFET a la entrada y BJTs para las fuentes de corriente.

La impedancia es aun mayor

que la configuracion BiFET

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Amplificador Diferencial CMOS

Utilización de transistores MOSFET complementarios

Los transistores pMOS

proporcionan entradas

opuestas.

Los transistores nMOS

operan como fuentes de

corriente constante.

Este tipo de circuitos es

muy conveniente para

sistemas que operan con

baterias, debido a su baja disipacion de potencia de circuitos CMOS