Temas 4,5

1
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Dispositivos Electrónicos II
CURSO 2010-11
Temas
Temas 4,5
4,5
AMPLIFICACIÓN:
AMPLIFICACIÓN:
ESTRUCTURAS
ESTRUCTURAS
BÁSICAS
BÁSICAS
Miguel Ángel Domínguez Gómez
Camilo Quintáns Graña
DEPARTAMENTO DE
TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA
UNIVERSIDAD DE VIGO
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE
INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
2
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
INDICE
INDICE
DEDE-II
AMPLIFICACIÓN:
AMPLIFICACIÓN: ESTRUCTURAS
ESTRUCTURAS BÁSICAS
BÁSICAS
1. AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES BIPOLARES
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
El Transistor Bipolar como Amplificador.
Circuitos Equivalentes de Pequeña Señal
Análisis de Amplificadores.
El Amplificador en Emisor Común.
El Amplificador en Colector Común (Seguidor de Emisor)
El Amplificador en Base Común.
El Amplificador en Emisor Común con Resistencia de Emisor.
2. AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES UNIPOLARES
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
El Transistor de Efecto de Campo como Amplificador.
Circuitos Equivalentes de Pequeña Señal
El Amplificador en Fuente Común
El Amplificador en Drenador Común (Seguidor de Fuente)
3. AMPLIFICADORES DE VARIAS ETAPAS
3.1. Optimización de la combinación de Configuraciones.
3
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.
1. AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES CON
CON TRANSISTORES
TRANSISTORES BIPOLARES
BIPOLARES
1.1
1.1EL
ELTRANSISTOR
TRANSISTORBIPOLAR
BIPOLARCOMO
COMOAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOR
Veremos
Veremosque
queentre
entreCCyy
Masa
Masa aparece
aparece una
una
versión
amplificada
versión amplificada de
de
la
Tensión
de
Entrada
la Tensión de Entrada
Æ
ÆAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOR
Entrada: VBB + vin (t ) = RB ⋅ i B (t ) + v BE (t )
Línea de carga
La línea de carga pasa a
ser la línea discontinua
para
un
valor
más
pequeño de vin)
Pendiente
Salida: VCC = RC ⋅ iC (t ) + vCE (t )
Línea de carga
4
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
EJEMPLO:
VCC=10V
RC=2K
VBB=1.6V
RB=40K
vin (t ) = 0.4 ⋅ sen(2 ⋅ π ⋅ 1KHz ⋅ t )
Calcular los Valores
Máximo y Mínimo y el
valor del Punto Q para vCE
Punto Q
Calcular los valores
máximo y mínimo y el
valor del punto Q para vCE
0,4
0,4
0
0,5
1,0
1,2
1,5 1,6
2,0
5
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
iC=3,5mA
Punto Q
iCQ=2,5mA
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
iC=1,5mA
Si hallamos más puntos
a medida que vin varía
con el tiempo:
Salida:
Entrada:
0,8V pico a pico
4 V pico a pico
GANANCIA
GANANCIAEN
EN
TENSIÓN:
5 (el
TENSIÓN:--5
(el
amplif.
amplif.invierte
inviertelala
señal
señalde
deentrada)
entrada)
0
0,5
1,0
1,5
2,0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
6
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Salida para:
vin (t) = 1,2 sen(2000πt),
(gran distorsión)
0
0,5
1,0
1,5
2,0
••La
LaAmplificación
Amplificación
razonablemente
razonablementeLineal
Lineal
ocurre
en
la
REGIÓN
ocurre en la REGIÓN
ACTIVA.
ACTIVA
ACTIVA.
••Existe
ExisteRecorte
Recortecuando
cuando
el
Punto
Instantáneo
el Punto Instantáneode
de
funcionamiento
entra
en
funcionamiento entra en
Saturación
Saturaciónooen
enCorte.
Corte.
7
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.2
1.2CIRCUITOS
CIRCUITOSEQUIVALENTES
EQUIVALENTESDE
DEPEQUEÑA
PEQUEÑASEÑAL
SEÑALDEL
DELTRANSISTOR
TRANSISTORBIPOLAR
BIPOLAR
1.2.1.- Relaciones tensión corriente en pequeña señal
(1)
Corriente de base en función de vBE
Como:
Estamos interesados en las pequeñas señales para las cuales el valor de vbe(t) es mucho más
pequeño que VT en cualquier instante. Por tanto, vbe(t) está relegado a un valor de unos pocos
milivoltios.
Para
Si se llama
rbe
rbe
8
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Para variaciones de pequeña señal alrededor del punto Q, la unión base emisor del transistor se
comporta como una resistencia que viene dada por la relación
rbe
rbe
Como
(2)
1.2.2.- Circuitos equivalentes de pequeña señal para el transistor bipolar
(PNP y NPN)
a)
rbe
rbe
rbe
9
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
b)
rbe
Si se define la
Transconductancia
del BJT:
rbe
rbe
rbe
El Circuito Equivalente en Pequeña Señal de un Transistor Bipolar
consiste en una Resistencia rbe y una Fuente de Corriente (β ib o
gmvbe)
Dadas la Corriente de Colector del punto Q, ICQ, y β, podemos calcular
los Parámetros de Pequeña Señal:
rbe
10
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.2.3. Parámetros Hibridos
TRANSISTOR: dispositivo
de 3 terminales
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
Para estudiar su comportamiento
en un circuito, se analiza como un
CUADRIPOLO:
I1
V1
I2
+
+
-
-
ENTRADA
(2 terminales)
V2
SALIDA
(2 terminales)
Uno de los 3 terminales deberá ser común a la
ENTRADA y a la SALIDA
3 CONFIGURACIONES:
(El terminal común a la E y a la S da el nombre al montaje)
11
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Análisis de Circuitos (1er curso) – TEORÍA DE CUADRIPOLOS
Parámetros Hibridos:
I2
12
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
3 Grupos de Parámetros Hibridos, uno por cada Configuracion (EC, BC, CC):
Notación: para distinguirlos se agrega el subindice correspondiente al terminal común (e,b,c).
veb
vbc
12
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
3 Grupos de Parámetros Hibridos, uno por cada Configuracion (EC, BC, CC):
Notación: para distinguirlos se agrega el subindice correspondiente al terminal común (e,b,c).
+ HABITUAL
Además,
generalmente:
vebb
vbc
hhre≈0
≈0
hhoere≈0
≈0
oe
13
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Modelo simplificado:
hie
rbe
hie≈rbe (=rbb’+rb’e)
hfe=β
hfeib
14
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.3
1.3ANÁLISIS
ANÁLISISDE
DEAMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
• Bajo la Condición de Funcionamiento en Pequeña Señal,
Señal el Transistor se
comportará como un Dispositivo Lineal.
• Las Componentes de Señal de cada una de las Tensiones y Corrientes del
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
Circuito
Amplificador
se
superponen
a
los
Valores
Continuos
de
Polarización del Transistor en ausencia de señal.
ANÁLISIS
ANÁLISIS YY DISEÑO
DISEÑO DE
DE AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES BASADOS
BASADOS
TRANSISTORES:
TRANSISTORES: PUEDE
PUEDE SIMPLIFICARSE
SIMPLIFICARSE ENORMEMENTE
ENORMEMENTE
EN
EN
SI
SI
SEPARAMOS
SEPARAMOSEL
ELCÁLCULO
CÁLCULODE
DELAS
LASCOMPONENTES
COMPONENTESCONTINUAS
CONTINUASDE
DE
POLARIZACIÓN
POLARIZACIÓN DE
DE LOS
LOS CÁLCULOS
CÁLCULOS DE
DE PEQUEÑA
PEQUEÑA SEÑAL
SEÑAL
(Variaciones
(Variaciones superpuestas
superpuestas aa cada
cada una
una de
de las
las Tensiones
Tensiones yy
Corrientes
Corrientes Continuas
Continuas del
del circuito
circuito cuando
cuando se
se aplica
aplica una
una Señal
Señal de
de
Entrada
Entradade
dePequeña
PequeñaAmplitud).
Amplitud).
15
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
...
, ...
...
Para calcular las Componentes de Señal: NECESARIO OBTENER CIRCUITO
EQUIVALENTE DEL AMPLIFICADOR EN PEQUEÑA SEÑAL:
• Sustituir Fuentes de Tensión Continua por cortocircuitos.
• Sustituir Fuentes de Corriente Continua por circuitos abiertos.
• Sustituir Transistor por Circuito Equivalente.
16
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Los
Los MODELOS
MODELOS EQUIVALENTES
EQUIVALENTES DE
DE PEQUEÑA
PEQUEÑA SEÑAL
SEÑAL HACEN
HACEN QUE
QUE EL
EL
ANÁLISIS
ANÁLISISDE
DEUN
UNAMPLIFICADOR
AMPLIFICADORBasado
Basadoen
enTransistores
Transistoresse
seconvierta
convierta
en
enun
unPROCESO
PROCESOSISTEMÁTICO:
SISTEMÁTICO:
1.
Determinar Punto de Trabajo Q en ausencia de señal.
2.
A partir de las Especificaciones del Transistor (Fabricante: hojas de
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
características) y de Q Æ Calcular el valor de los Parámetros del
Modelo Equivalente de Pequeña Señal del Transistor.
3.
4.
Eliminar las Fuentes de Polarización:
•
Sustituir Fuentes de Tensión Continua por cortocircuitos.
•
Sustituir Fuentes de Corriente Continua por circuitos abiertos.
Reemplazar el Transistor por uno de sus Modelos Equivalentes de
Pequeña Señal.
5.
Analizar el Circuito Equivalente de Pequeña Señal resultante para
determinar los parámetros del Amplificador (Ej: Ganancia en Tensión,
Resistencia de Entrada, etc.)
17
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.4
1.4EL
ELAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOREN
ENEMISOR
EMISORCOMÚN.
COMÚN.
Io
Nota: Circuito Básico
(polarización simplificada
para caracterizar el
comportamiento del
transistor).
Ii
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
Vi
VBB
Análisis AC: Circuito Equivalente de Pequeña Señal
Vo
18
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Expresión válida ∀ transistor
y ∀ montaje
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
En el caso de E.C.:
18
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Expresión válida ∀ transistor
y ∀ montaje
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
En el caso de E.C.:
19
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.5
1.5EL
ELAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOREN
ENCOLECTOR
COLECTORCOMÚN
COMÚN(SEGUIDOR
(SEGUIDORDE
DEEMISOR)
EMISOR)
Nota: Circuito de
polarización simplificado
para caracterizar
únicamente el
comportamiento del
transistor
Ii
Io
Vi
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
Vo
VBB
Circuito Equivalente de pequeña señal:
20
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Circuito Equivalente de pequeña señal:
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
≈1
Como
Ro << Ri
20
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Circuito Equivalente de pequeña señal:
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
≈1
Como
Ro << Ri
21
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.6.
1.6.EL
ELAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOREN
ENBASE
BASECOMÚN
COMÚN
Circuito Equivalente de pequeña señal:
Ejercicio
22
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.7.
1.7.EL
ELAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOREN
ENEMISOR
EMISORCOMÚN
COMÚNCON
CONRESISTENCIA
RESISTENCIADE
DEEMISOR.
EMISOR.
Nota: Circuito de polarización simplificado para caracterizar
únicamente el comportamiento del transistor
En
=f(hfe
hfe).
).
Av
Enlalaconfiguración
configuraciónen
enE.C.,
E.C.,Av=f(
Av=f(hfe).
Io
SI
SISE
SEINTRODUCE
INTRODUCEUNA
UNARe
ReEN
ENEL
ELEMISOR,
EMISOR,AAVVPASA
PASAAA
SER
INDEPENDIENTE
DE
h
.
fe .
SER INDEPENDIENTE DE h
fe
Ii
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
Vo
ASÍ
ASÍSE
SECONSIGUE
CONSIGUEESTABILIZAR
ESTABILIZARLA
LAGANANCIA
GANANCIAEN
EN
TENSIÓN
TENSIÓNDEL
DELAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOR
Vi
La ganancia en tensión es menor que en E.C.
pero más estable.
23
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
CARACTERÍSTICAS AMPLIFICADORAS DE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES
ALTA
ALTA
ALTA
BAJA
≈1
MEDIA
AUMENTA
ALTA
BAJA
ALTA
ESTABILIZADA
BAJA
ALTA
≈1
MUY ALTA
MUY ALTA
BAJA
MUY ALTA
23
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
CARACTERÍSTICAS AMPLIFICADORAS DE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES
ALTA
ALTA
ALTA
A
BAJA
≈1
MEDIA
AUMENTA
ALTA
A
BAJA
ALTA
ESTABILIZADA
BAJA
B
ALTA
≈1
MUY ALTA
MUY ALTA
Configuración
Configuraciónen
enE.C.
E.C.
•
Amplificador inversor
•
Permite obtener simultáneamente Ganancias de
Tensión y de Corriente superiores a la unidad.
•
Es la más utilizada
BAJA
B
MUY ALTA
24
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
CARACTERÍSTICAS AMPLIFICADORAS DE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES
ALTA
ALTA
ALTA
BAJA
≈1
MEDIA
AUMENTA
ALTA
BAJA
ALTA
ESTABILIZADA
BAJA
ALTA
≈1
MUY ALTA
MUY ALTA
BAJA
MUY ALTA
•
Configuración
Configuraciónen
enC.C.
C.C.
Amplificador no inversor
•
AI es aproximadamente igual que en E.C (en módulo)
•
AV es menor que la unidad
•
Ri es la mayor
•
Ro es la menor
•
BUFFER DE TENSIÓN (Adaptación de impedancias cuando RS>>RL, información en forma de
tensión).
25
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
CARACTERÍSTICAS AMPLIFICADORAS DE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES
ALTA
ALTA
ALTA
BAJA
≈1
MEDIA
AUMENTA
ALTA
BAJA
ALTA
ESTABILIZADA
BAJA
ALTA
≈1
MUY ALTA
MUY ALTA
BAJA
MUY ALTA
Configuración
Configuraciónen
enB.C.
B.C.
•
Amplificador no inversor
•
AI es algo menor que la unidad
•
AV igual que en EC (en módulo)
•
Ri es la menor de las tres
•
Ro es ∞, como en EC
•
BUFFER DE CORRIENTE (Adaptación de impedancias cuando RS<<RL, información en forma de
corriente)
26
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.8.
1.8.CIRCUITOS
CIRCUITOSAMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES“REALES”
“REALES”(con
(conautopolarización)
autopolarización)
1 - EMISOR COMÚN:
ii
Circuito
equivalente en
pequeña señal a
frecuencias
medias
io
hie
hfeib
26
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
1.8.
1.8.CIRCUITOS
CIRCUITOSAMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES“REALES”
“REALES”(con
(conautopolarización)
autopolarización)
1 - EMISOR COMÚN:
ii
io
EJERCICIO: obtener las
expresiones de Ai, Ri,
Av, Ro, Avs.
Circuito
equivalente en
pequeña señal a
frecuencias
medias
hie
hfeib
27
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Circuito equivalente utilizado para hallar Z0
hie
hfeib
28
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
2 – SEGUIDOR DE EMISOR:
EJERCICIO: obtener las
expresiones de Ai, Ri,
Av, Ro, Avs.
Circuito equivalente en pequeña señal a frecuencias medias
hie
ie=(1+hfe)ib
hfeib
29
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
Circuito equivalente utilizado para hallar la impedancia de salida Z0
hie
ie=(1+hfe)ib
hfeib
30
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON BJTS
BJTS
CON
DEDE-II
3 – BASE COMÚN:
EJERCICIO: obtener las
expresiones de Ai, Ri,
Av, Ro, Avs.
31
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
2.
2. AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES CON
CON TRANSISTORES
TRANSISTORES DE
DE EFECTO
EFECTO
DE
DE CAMPO
CAMPO
2.1.
2.1. EL
ELTRANSISTOR
TRANSISTORDE
DEEFECTO
EFECTODE
DE
CAMPO
COMO
AMPLIFICADOR
CAMPO COMO AMPLIFICADOR
sen
vGS (t ) = vin (t ) + VGG
VDD = RD ⋅ i D (t ) + v DS (t )
Amplificador NMOS sencillo:
Línea de carga
IDmax=16mA
IDQ=9mA
IDmin=4mA
Punto Q
32
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
Aparentemente,
GANANCIA EN
TENSIÓN: -6 (el
12Vpp
amplif. invierte la
señal de entrada)
La forma de onda de salida no es senoidal simétrica como
la de la entrada: VDSQ=11V, y VDSmax=16V, VDSmin=4V
Salida
Salidamayor
mayorque
que
la
entrada,
pero
la entrada, pero
DISTORSIONADA
DISTORSIONADA
DISTORSIÓN:
DISTORSIÓN: debida
debida aa que
que las
las curvas
curvas características
características del
del FET
FET no
no son
son
equidistantes.
equidistantes.
Si
MENOR
Sise
seaplicara
aplicarauna
unaAMPLITUD
AMPLITUDDE
DEENTRADA
ENTRADAMUCHO
MUCHOMENOR,
MENOR,tendríamos
tendríamos
una
INAPRECIABLE
una AMPLIFICACIÓN
AMPLIFICACIÓN CON
CON DISTORSIÓN
DISTORSIÓN INAPRECIABLE,
INAPRECIABLE, pues
pues las
las
curvas
curvasestán
estándistanciadas
distanciadasde
deuna
unamanera
maneramás
másuniforme
uniformesisise
seconsidera
considerauna
una
región
ÑA SE
ÑAL.
AL
regiónmás
másrestringida
restringidade
delas
lascurvas
curvascaracterísticas
características⇒
⇒PEQUE
PEQUEÑA
SEÑAL.
33
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
2.2.
2.2. CIRCUITOS
CIRCUITOSEQUIVALENTES
EQUIVALENTESDE
DE
PEQUEÑA
PEQUEÑASEÑAL
SEÑAL
Análisis gráfico: difícil para amplificadores
reales. A continuación desarrollaremos un
circuito equivalente lineal en pequeña
señal para el FET, que nos permitirá utilizar
técnicas de análisis matemático en lugar del
análisis gráfico.
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
Transistor polarizado
en zona saturación:
Como:
Y además estamos interesados en las condiciones de pequeña señal para las cuales vgs2(t) es
muy pequeño y se puede despreciar.
(Suponemos que
(
v gs (t ) << VGSQ − Vto
)
)
Si se define la transconductancia del transistor como:
Como la corriente de puerta es despreciable:
34
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
Para
Pequeña Señal los Transistores
Para Pequeña Señal los Transistores
Unipolares
Unipolares pueden
pueden modelarse
modelarse como
como una
una
Fuente
Fuente de
de Corriente
Corriente Controlada
Controlada por
por
Tensión entre D y S.
Tensión entre D y S.
2.2.1. Dependencia de la Transconductancia respecto al Punto Q y los
Parámetros del Dispositivo.
Despejando
en
y sustituyendo los resultados en
se obtiene:
Se
m
Se puede
puede incrementar
incrementar gg
m
eligiendo
un
valor
más
eligiendo un valor más
.
elevado
elevadode
deIIDQ
DQ.
35
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
⎛ W ⎞ KP
⎟⋅
⎝L ⎠ 2
Como K = ⎜
W = anchura del canal
L = longitud del canal (valor mínimo limitado por el proceso de fabricación)
KP = µn ⋅ C ox
: parámetro dependiente del proceso de fabricación del transistor.
(µn = movilidad superficial de los electrones en el canal;
Cox= capacidad de puerta por unidad de área, que depende
a su vez de la anchura del óxido tox)
Se
Sepuede
puedeobtener
obtenervalores
valoresmayores
mayoresde
deggmmincrementando
incrementandola
la
relación
relación anchura-longitud
anchura-longitud del
del canal
canal del
del MOSFET.
MOSFET. Se
Se
obtiene
obtieneuna
unatransconductancia
transconductanciaalta
altaaacosta
costadel
delárea
áreadel
delCI.
CI.
36
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
2.2.2. Circuito equivalente más complejo
En el modelo anterior se supone que las características de drenador son horizontales
en la región de saturación, pero eso no es del todo cierto:
Las curvas características de drenador tienen una pendiente ligeramente ascendente
respecto a vDS.
Para tener en cuenta este efecto: AÑADIR UNA RESISTENCIA rD
llamada RESISTENCIA DE DRENADOR entre D y S
37
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
2.3.
2.3. EL
ELAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOREN
ENFUENTE
FUENTECOMÚN
COMÚN
EL
AMPLIFICADOR
EN
DRENADOR
EL AMPLIFICADOR EN DRENADORCOMÚN
COMÚN(SEGUIDOR
(SEGUIDORDE
DEFUENTE)
FUENTE)
Circuito equivalente de pequeña señal
Si
y vo=vo1: FUENTE COMÚN
SiRRs=0
s=0 y vo=vo1: FUENTE COMÚN
Si
SiRRdd=0
=0yyvvoo=v
=vo2o2::DRENADOR
DRENADORCOMÚN
COMÚN
37
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
2.3.
2.3. EL
ELAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOREN
ENFUENTE
FUENTECOMÚN
COMÚN
EL
AMPLIFICADOR
EN
DRENADOR
EL AMPLIFICADOR EN DRENADORCOMÚN
COMÚN(SEGUIDOR
(SEGUIDORDE
DEFUENTE)
FUENTE)
Circuito equivalente de pequeña señal
Si
y vo=vo1: FUENTE COMÚN
SiRRs=0
s=0 y vo=vo1: FUENTE COMÚN
Si
SiRRdd=0
=0yyvvoo=v
=vo2o2::DRENADOR
DRENADORCOMÚN
COMÚN
37
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
2.3.
2.3. EL
ELAMPLIFICADOR
AMPLIFICADOREN
ENFUENTE
FUENTECOMÚN
COMÚN
EL
AMPLIFICADOR
EN
DRENADOR
EL AMPLIFICADOR EN DRENADORCOMÚN
COMÚN(SEGUIDOR
(SEGUIDORDE
DEFUENTE)
FUENTE)
Circuito equivalente de pequeña señal
Si
y vo=vo1: FUENTE COMÚN
SiRRs=0
s=0 y vo=vo1: FUENTE COMÚN
Si
SiRRdd=0
=0yyvvoo=v
=vo2o2::DRENADOR
DRENADORCOMÚN
COMÚN
FACTOR DE AMPLIFICACIÓN
38
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
y vo=vo1)
(1)
((Rs=0
(1)FUENTE
FUENTECOMÚN
COMÚN(R
s=0 y vo=vo1)
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
Circuito equivalente visto desde Drenador:
-
µ·vi
Rd
+
Circuito equivalente de pequeña señal
39
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
y vo=vo2)
(2)
((Rd=0
(2)DRENADOR
DRENADORCOMÚN
COMÚN(R
d=0 y vo=vo2)
Circuito equivalente de pequeña señal
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
Circuito equivalente visto desde Fuente:
+
Rs
-
(Si µ >> 1)
Por este motivo, se denomina
SEGUIDOR DE FUENTE
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
40
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
41
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
2.4.
2.4. AMPLIFICADOR
AMPLIFICADOREN
ENFUENTE
FUENTECOMÚN
COMÚN(con
(concircuito
circuitode
deautopolarización)
autopolarización)
EJERCICIO:
obtener las
expresiones
de Av, Ri,
Ro, Ai, Avs.
Circuito equivalente en pequeña señal para el amplificador en fuente común
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
42
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
Circuito utilizado para calcular RO
43
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
2.5.
2.5. SEGUIDOR
SEGUIDORDE
DEFUENTE
FUENTE(con
(concircuito
circuitode
deautopolarización)
autopolarización)
EJERCICIO:
obtener las
expresiones de
Av, Ri, Ro, Ai, Avs.
44
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
CON FETS
FETS
CON
DEDE-II
Circuito equivalente en pequeña señal alterna para el seguidor de fuente.
Circuito equivalente utilizado para hallar la resistencia de salida del seguidor de
fuente.
45
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
MULTIETAPA
MULTIETAPA
DEDE-II
3.
3. AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES DE
DE VARIAS
VARIAS ETAPAS
ETAPAS
En aplicaciones reales se hace necesario el acoplamiento de varias etapas:
• Para obtener una amplificación mayor.
• Para una correcta adaptación de impedancias si la impedancia de entrada o
salida de una sola etapa no es la adecuada
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
De forma general:
AMPLIFICADOR MULTIETAPA UTILIZANDO MODELOS EQUIVALENTES DE TENSIÓN
TENSIÓN
0
0
0
0
0
0
46
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
MULTIETAPA
MULTIETAPA
DEDE-II
AMPLIFICADOR MULTIETAPA UTILIZANDO MODELOS EQUIVALENTES DE CORRIENTE
CORRIENTE
0
0
0
0
0
0
47
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
MULTIETAPA
MULTIETAPA
DEDE-II
3.1.
3.1. OPTIMIZACIÓN
OPTIMIZACIÓNDE
DELA
LACOMBINACIÓN
COMBINACIÓNDE
DECONFIGURACIONES
CONFIGURACIONES
Los montajes pueden ser en EC, BC, CC o combinación.
En general, al acoplar varias etapas se busca un aumento en la ganancia de tensión.
En una cadena
amplificadora se
distinguen:
• Etapa de entrada
• Etapas intermedias
• Etapa de salida
(1) ETAPAS INTERMEDIAS
• No se utiliza una configuración en CC porque Av<1.
• No se utiliza una configuracíón en BC porque Av de varias etapas de este tipo
acopladas es menor que la última:
AV = AI ⋅
RL RL
≅
< 1 si Ri = Ri +1 ya que RL = RC //Ri
Ri
Ri
• Por el contrario, en una etapa en EC:
AV = h fe ⋅
RL
> 1 porque h fe >> 1
Ri
En
Enun
unamplificador
amplificadorde
devarias
variasetapas
etapaslas
lasintermedias
intermedias
utilizan
configuraciones
en
EC
utilizan configuraciones en EC
48
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
MULTIETAPA
MULTIETAPA
DEDE-II
(2) ETAPA DE ENTRADA
Su elección se realiza en función del generador conectado a la entrada:
• Si el generador es de tensión:
(necesaria Zi alta)
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
• Si el generador es de corriente:
Entrada
Entradaen
enCC
CC
Montaje
Montajecon
conFET
FET(DC,
(DC,FC)
FC)
Entrada
Entradaen
enBC
BC
(necesaria Zi baja)
(3) ETAPA DE SALIDA
Se selecciona en función de la impedancia de carga
• Si RL baja impedancia, e información codificada
en forma de tensión:
Salida
Salidaen
enCC
CC
(necesaria Zo baja)
• Si RL alta impedancia, e información codificada
en forma de corriente:
(necesaria Zo alta)
Salida
Salidaen
enBC
BC
49
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
AL ANALISIS
ANALISIS AC
AC
AL
4.
4. ANÁLISIS
ANÁLISIS EN
EN PEQUEÑA
PEQUEÑA SEÑAL
SEÑAL
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
1 - DIBUJO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE EN PEQUEÑA SEÑAL
1.
Sustituir fuentes de tensión continua por cortocircuitos.
2.
Sustituir fuentes de corriente continua por circuitos abiertos.
3.
Sustituir condensadores de acoplo y de desacoplo por cortocircuitos
cuando se desee un análisis a frecuencias medias.
Nota: Para hallar expresiones para la ganancia o la impedancia en función de
la frecuencia, o hacer un análisis en régimen transitorio, deberían incluirse los
condensadores en el circuito equivalente.
4.
Sustituir transistor por circuito equivalente.
5.
Si circuito tiene varios transistores, se utilizarán subíndices para
distinguir las corrientes y los parámetros de los diferentes transistores.
50
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
AL ANALISIS
ANALISIS AC
AC
AL
DEDE-II
••Vale
Vale la
la pena
pena prestar
prestar atención
atención al
al dibujar
dibujar el
el circuito
circuito
equivalente:
equivalente:
Analizar
Analizar un
un circuito
circuito equivalente
equivalente incorrecto
incorrecto es
es una
una
pérdida
pérdidade
detiempo
tiempoyyde
deesfuerzo.
esfuerzo.
COMPROBAR
COMPROBAR BIEN
BIEN EL
EL CIRCUITO
CIRCUITO EQUIVALENTE
EQUIVALENTE ANTES
ANTES
DE
DEESCRIBIR
ESCRIBIRLAS
LASECUACIONES
ECUACIONES¡!¡!
•• Puede
Puedeque
queresulte
resulteconveniente
convenientedividir
dividiren
envarios
variospasos
pasoseleldibujo
dibujo
de
delos
loscircuitos
circuitosequivalentes
equivalentesen
enpequeña
pequeñaseñal.
señal.
En
Enprimer
primerlugar,
lugar,se
sehacen
hacenlos
loscambios
cambiosnecesarios
necesariosyydespués,
después,sisi
se
se quiere,
quiere, se
se vuelve
vuelve aa dibujar
dibujar elel circuito
circuito para
para simplificar
simplificar elel
trazado.
trazado.
51
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
AL ANALISIS
ANALISIS AC
AC
AL
DEDE-II
2. IDENTIFICACIÓN DE LAS VARIABLES DE INTERÉS DEL CIRCUITO
Una vez finalizado el circuito equivalente en pequeña señal, trataremos de
hallar expresiones para las ganancias e impedancias que sean de interés.
En primer lugar, identificaremos las corrientes y tensiones pertinentes
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
y las señalaremos en el circuito equivalente.
Ejemplo:
•
Para hallar la ganancia de tensión, las variables pertinentes son la
tensión de entrada vi y la tensión de salida vo.
•
Para la impedancia de entrada, lo que nos interesa son vi y la corriente
de entrada ii.
52
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
AL ANALISIS
ANALISIS AC
AC
AL
DEDE-II
3. CALCULO DE LA RESISTENCIA DE SALIDA
La resistencia de salida es la resistencia de Thevenin del amplificador. Para
hallar la resistencia de salida:
•
Quitamos la carga
•
Ponemos a cero el valor de las fuentes de señal independientes
(sustituir las fuentes de tensión por cortocircuitos, y las fuentes de
corriente por circuitos abiertos). Las fuentes dependientes, como la
fuente controlada de corriente del transistor equivalente, no se
ponen a cero.
•
Miramos desde los terminales de salida para hallar la resistencia.
•
A menudo es conveniente agregar una fuente de tensión de prueba Vx a
los terminales de salida para hallar la resistencia de salida del seguidor
de emisor. La resistencia de salida viene dada por la relación entre Vx e
ix .
53
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
AL ANALISIS
ANALISIS AC
AC
AL
DEDE-II
4. ESCRITURA DE LAS ECUACIONES DEL CIRCUITO
Tras dibujar el circuito equivalente en pequeña señal e identificar las variables
de tensión o corriente pertinentes, utilizamos el análisis de circuitos para
escribir las ecuaciones.
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
•
A menudo es necesario incluir corrientes o tensiones adicionales en las
ecuaciones.
Ejemplo:
Para hallar la resistencia de salida del seguidor de emisor,
queríamos calcular la relación entre Vx e ix pero al escribir las
ecuaciones, incluimos una corriente adicional ib.
•
Tras
escribir
el
conjunto
de
ecuaciones
de
circuito
adecuadas,
despejaremos para eliminar las corrientes y tensiones no deseadas, hasta
que tengamos una ecuación que relacione las dos variables de interés.
54
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
AL ANALISIS
ANALISIS AC
AC
AL
DEDE-II
Si el circuito es bastante complejo, es una buena idea asegurarse
de que se ha escrito un conjunto de ecuaciones correcto antes de
eliminar las variables que no se desean:
-
Supongamos que contamos las variables no deseadas, y llamamos a
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
ese numero N. Como necesitamos una ecuación para eliminar cada
una de las variables no deseadas, y como necesitamos dar con una
ecuación que relacione las dos variables de interés, necesitaremos un
total de N + 1 ecuaciones independientes.
-
Hay
que
asegurarse
de
que
las
ecuaciones
no
son
dependientes: a veces puede que escribamos la misma ecuación de
diferente manera sin darnos cuenta.
55
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
AL ANALISIS
ANALISIS AC
AC
AL
5. CALCULO Y COMPROBACIÓN DE LA EXPRESIÓN BUSCADA
Una vez que hemos escrito un numero suficiente de ecuaciones independientes,
se utilizan técnicas algebraicas simples para eliminar las variables de circuito no
deseadas y hallar la expresión buscada.
Si, en este proceso, la sustitución da lugar a la cancelación de todos los términos
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
(con lo que nos quedaría 0 = 0), es que hemos escrito ecuaciones dependientes
y hemos de volver a escribir ecuaciones adicionales.
6. COMPROBACIÓN DE LAS UNIDADES
Tras haber hallado una expresión para la ganancia o la impedancia, es buena
idea comprobar si las unidades de la expresión hallada son las
correctas:
•
Ganancia de tensión o corriente: no debería tener unidades.
•
Impedancia de entrada o salida: debería estar en ohmios.
En el caso de que las unidades no fueran las que esperábamos, deberíamos
buscar algún error al escribir la ecuación original o algún error algebraico.
56
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas
OBSERVACIONES
OBSERVACIONES
AL ANALISIS
ANALISIS AC
AC
AL
DEDE-II
EL
EL ANÁLISIS
ANÁLISIS DEL
DEL CIRCUITO
CIRCUITO EQUIVALENTE
EQUIVALENTE DE
DE PEQUEÑA
PEQUEÑA
SEÑAL
SEÑAL NO
NO ES
ES TAN
TAN PROBLEMÁTICO
PROBLEMÁTICO COMO
COMO PARECE
PARECE EN
EN ESTA
ESTA
EXPLICACIÓN.
EXPLICACIÓN.
SE
SE HAN
HAN INTENTADO
INTENTADO MENCIONAR
MENCIONAR TODOS
TODOS LOS
LOS PROBLEMAS
PROBLEMAS
QUE
QUE SE
SE ENCUENTRAN
ENCUENTRAN COMÚNMENTE
COMÚNMENTE CON
CON ESTA
ESTA TÉCNICA,
TÉCNICA,
PARA
PARAQUE
QUENO
NODESPERDICIEIS
DESPERDICIEISMUCHO
MUCHOTIEMPO
TIEMPOSI
SITROPEZAIS
TROPEZAIS
CON
CONELLOS.
ELLOS.