Amplificador a transistores, emisor común

Amplificador a transistores, emisor común
Introducción:
El propósito de un amplificador es el de aumentar la amplitud de una señal de
corriente alterna. Esta señal puede provenir de un instrumento musical, un micrófono,
un generador de señales; también es posible amplificar señales complejas como las
de radio y televisión o inclusive señales provenientes de equipamiento médico.
Cualquiera sea el tipo de señal que se desee amplificar, el concepto de amplificador es
siempre el mismo, y su diseño y construcción es semejante.
Circuito y recta de carga:
En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de corrientes
(alterna y continua).
La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de
operación del amplificador en el punto Q.
Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada.
El ideal para un amplificador de señales, es que el punto Q se establezca en el punto
medio de la recta de carga. De esta forma nos aseguramos que al ingresar una señal
en la base del transistor, se amplifiquen en el colector ambos semiciclos (parte positiva
y parte negativa de la señal) completos.
Análisis del circuito real:
En el diagrama del circuito se ve que la base del transistor está conectada a dos
resistencias (R1 y R2).
Estas dos resistencias forman un divisor de voltaje
que permite tener en la base del transistor un
voltaje necesario para establecer la corriente de
polarización de la base.
El punto de operación en corriente continua está
sobre la recta de carga, dibujada en la familia de
curvas del transistor.
Esta línea está determinada por fórmulas que se
muestran.
Dos casos extremos:
-
Cuando el transistor está en saturación (Ic max.), que significa que Vce es
prácticamente 0 voltios y....
-
Cuando el transistor está en corte (Ic = 0), que significa que Vce es
prácticamente igual a Vcc. Ver la figura.
Si se modifica R1 y/o R2 el punto de operación se
modificará para arriba o para abajo en la curva
pudiendo haber distorsión. Se debe calcular para
que quede lo más cerca posible del punto medio
de la recata de carga.
Si la señal de entrada (Vin) es muy grande, se
recortarán los picos positivos y negativos de la
señal en la salida (Vout)
Capacitor de bloqueo (C1)
Este capacitor se utiliza para bloquear la corriente continua que pudiera venir de Vin.
Este capacitor actúa como un circuito abierto para la corriente continua y como un
corto circuito para la corriente alterna (la señal que se desea amplificar).
Estos capacitores no se comportan tan perfectamente en la realidad, pero se acercan
bastante, pudiendo suponerse como ideales.
Capacitor de derivación (Ce)
El resistor Re aumenta la estabilidad de el amplificador, pero que tiene el gran
inconveniente que es muy sensible a las variaciones de temperatura (causará cambios
en la corriente de base, lo que causará variaciones en la corriente de emisor (recordar
Ic = β Ib)).
Esto causará una disminución en la ganancia de corriente alterna, lo que no es
deseable.
Para resolver el problema se pone en paralelo con Re un capacitor que funcionará
como un corto circuito para la corriente alterna y un circuito abierto para corriente
continua.
-
El voltaje de salida estará dada por la siguiente fórmula:
Vout = Ic.Rc = β.Ib.Rc = hfe.Ib.Rc
-
La ganancia de voltaje es:
ΔV - Vout / Vin = - Rc / Zin.
(El signo menos indica que Vout esta 180° fuera de fase con al entrada Vin)
-
La ganancia de corriente es:
ΔI = (Vout. Zin) / (Vin. Rc) = ganancia de voltaje x Zin / Rc
-
La ganancia de potencia es = ganancia de voltaje x ganancia de corriente =
ΔP = ΔV.ΔI
-
Zin (impedancia de entrada) = R1 // R2 // hie, que normalmente no es un valor
alto (contrario a lo deseado)
Zo (impedancia de salida) = Rc
La salida está desfasada 180° con respecto a la entrada (es invertida)
-
Notas:
- β = hfe son parámetros propios de cada transistor
- hie = impedancia de entrada del transistor dada por el fabricante.
- // significa "en paralelo"
Distorsión en amplificadores de transistores
(BJT)
Distorsión por amplitud
La señal de salida de un amplificador es directamente proporcional a la señal de
entrada. Si la entrada crece la salida crece, si la entrada disminuye, la salida también.
Cuando la señal de entrada es suficientemente grande, hace que el transistor opere
en la región de corte y la región de saturación o en ambas, dependiendo de donde
esté ubicado el punto de operación
(Q). Ver el gráfico.
- Si el punto de operación (Q) del
amplificador se estableció en la parte
central de la recta de carga (punto de
operación deseable), el recorte de la
señal de salida será simétrica (se
recortará por igual en la parte superior
e inferior de la señal de salida).
Viendo el gráfico a la derecha, lo que
sucedería es que al incrementarse Ib2
(corriente de base), tanto la corriente
de colector Ic (gráfico central en rojo)
como la tensión Vce (gráfico central
en morado), aumentarían su amplitud
y se aplanarían en sus extremos
(mayor amplitud).
- Si el punto de operación (Q) del amplificador está corrido, ya sea hacia arriba o
hacia abajo del punto de operación (ver gráfico), la salida estará distorsionada de la
manera que se muestra.
Ver que cuando el punto de operación Q está corrido hacia arriba, la tensión Vce se
distorsiona en el semiciclo negativo. Si el punto de operación Q está corrido para
abajo, la tensión Vce se distorsiona en el semiciclo positivo.
Distorsión por alinealidad
Debido a la no linealidad de un dispositivo como el transistor (ver gráfico de Ib contra
Vbe).
En este gráfico se ve que a pesar de que la señal de entrada es una señal senoidal
pura, la salida no tiene una forma de onda senoidal igual, sino que está deformada.
La falta de linealidad causa que la corriente de entrada (corriente de base ib) no siga
la señal de entrada pura (Vbe). Esta deformación en la corriente de entrada causa a
su vez una distorsión similar en la corriente y tensión de salida.
En estos casos, para eliminar la distorsión, se utiliza una fuente de corriente en vez
de una fuente de tensión.
Simulación con Workbench:
Se armó el siguiente circuito y se probó con un generador de señales.
En el generador de señales se ajustó una señal de 50 mVpp y 50 Hz
En la pantalla del osciloscopio se observa como esta señal de entrada (rojo) es
amplificada en 10 veces (amarillo) llegando a 500 mVpp