Sesión 13 - OCW

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
Transistor como Dispositivo
Amplificador
OBJETIVOS
•
•
•
•
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.
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Concepto de amplificación con BJT
SATURA
Vo ≈ 0 V
IC (mA)
60
50
40
AMPLIFICACION
Vo = G·Vi
30
20
CORTE
Vo = Vcc
10
0
0,2
0,4
0,6
0,8 VBE (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
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El transistor como amplificador
IC
IB (µA)
60
IB
50
VCE
VBE
VBB es una fuente de continua
que con RB proporciona un punto
de trabajo (polarización) : vg = 0
40
IB
30
IE
20
10
VBE
VBB
VBE (V)
Introducimos una señal variable
sumada a VBB
VBB + vg
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Recta de carga dinámica
IB (µA)
60
Las variaciones de la tensión
de entrada se traducen en
desplazamientos de la recta de
carga:
50
IBQ
∆IB
Q
40
(VBB + vi ) − vBE
iB =
RB
30
20
10
∆VBE
0
0,2
0,4
0,6
0,8 VBE (V)
VBEQ
Se producen pequeñas variaciones de la tensión base-emisor y de
la corriente de base del dispositivo alrededor del punto de trabajo.
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Recta de Carga (II)
Recta de carga estática
(Punto de trabajo)
Recta de carga dinámica
(Variaciones en la salida)
IC (mA)
6
60 µ A
5
50 µ A
IC (mA)
6
60µA
5
50µA
ICQ
IC 4
IB =40 µ A
3
30 µ A
Q
∆IC
4
∆IB
3
IBQ=40µA
30µA
RECTA DE CARGA ALT.
2
2
20 µ A
10 µ A
1
20µA
∆VCE
10µA
1
0 µA
0
2
4
6
8
10
VCE
VCC − vCE
iC =
RC
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12
14
16
V CE (V)
0
2
VCC
4
6
8
10 12 14
0µA
16 18
VCE (V)
VCEQ
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.
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Ejemplo: amplificador en emisor común
IB (µA)
60
∆Vi ≈ ±200mV
50
∆IB
IBQ
VBEQ ≈ 0,6V
Q
40
I BQ ≈ 40 µA
30
20
∆VBE ≈ ±50mV
10
∆VBE
0
0,2
0,4
0,6
0,8 VBE (V)
∆I B ≈ ±10µA
VBEQ
EJEMPLO
RC = 3 kΩ
RB = 15 kΩ
IC (mA)
6
60µA
5
50µA
ICQ
VCC = 18 V
VBB = 1,2 V
2
β = 100
1
vi = 0,2 V (pico)
∆IC
4
3
Q
∆IB
I CQ ≈ 4mA
VCEQ ≈ 6V
IBQ=40µA
∆I C ≈ ±1mA
30µA
RECTA DE CARGA ALT.
20µA
∆VCE
0
2
4
6
∆VCE ≈ ±3V
10µA
8
10 12 14
0µA
16 18
VCE (V)
VCEQ
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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
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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)
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Transistor como Dispositivo
Amplificador
OBJETIVOS
•
•
•
•
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.
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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).
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Ejemplo: Autopolarizado
Circuito práctico
Se insensibiliza frente a la ganancia de corriente del transistor.
Estabiliza el punto de trabajo frente a VBE, hFE, etc.
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Ejemplo: Espejos de corriente
I O 2 = I ref
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R2
= 10 ⋅ I ref
R3
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I O1 ≈ I ref
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Transistor como Dispositivo
Amplificador
OBJETIVOS
•
•
•
•
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.
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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
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VBE (V)
IC
∆ IC
10
1
∆VBE
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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
B
C
E
Cπ
n+
Cs
n+
rb
rc
p
Cµ
n
n+
p
SUSTRATO
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BJT Completo: Capacidades parásitas y
resistencias parásitas incluidas (E-C)
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BJT Simplificado: Sin elementos parásitos
despreciables y a frecuencias bajas(E-C)
re, rc → 0, ZCs→ ∞
Frecuencias bajas: Real(ZCπ), Real(ZCµ ) → ∞
Aún es simplificable: rb → 0 , ro → ∞
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Transistor como Dispositivo
Amplificador
OBJETIVOS
•
•
•
•
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.
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MODELO HIBRIDO EN π
(Ecuaciones de Ebers-Moll)
 vVBE

iC = I S  e T − 1




Ecuaciones:
∂ic
βo =
∂ib
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vce =0,VCEQ
VT =
KT
q
vπ = ib· rπ
vbe = ib·(rπ+rb)
ic = gm·vπ = gm· rπ· ib
∂i
gm = c
∂vbe
vce = 0 ,VCEQ
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∂vce
r0 =
∂ic
ib = 0 , I BQ
19
Parámetros Pequeña Señal
– gm
– β0
– rπ
– r0
gm =
rπ =
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VT
βo
gm
(Ω −1 )
(Ω )
VT
Tamb = 300º K
≈ 25.6mV ≈ 25mV
βo = gm · rπ
VA
r0 =
( Ω)
I CQ
• Catálogo
– hfe, hie
– Cob, Cib
I CQ
BC547
BD335
2N222
Buscar BC547, BD335, 2N222 en
http://www.fairchildsemi.com/
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Circuitos prácticos de polarización y señal
EJEMPLO
Vcc = 12 V
IC ≅ 1 mA
VE ≈ 0 V (DC)
R1,R2,RE=?
RL ≅ 1K
Rg = 50Ω
Cin = 10µF
Co = 100µF
Dibujar el circuito equivalente en continua.
Obtener el punto de trabajo.
Q1 = BC547B
(βF ≈ βo ≈ 300)
(VBE-ON = 0,7 V)
(VCE-sat = 0,2 V)
Dibujar el equivalente de pequeña señal.
Calcular los parámetros de pequeña señal.
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