1.2.6 amplificador en colector comun

1.2.6 AMPLIFICADOR EN COLECTOR COMUN
Este amplificador se caracteriza por tener una muy alta impedancia de entrada, una muy baja impedancia
de salida , una ganancia de voltaje ligeramente menor a la unidad, y ganancia de corriente alta. Todas estas
características lo hacen útil como acoplador de impedancias.
Amplificador en Colector Común
Circuito equivalente en C.D
Circuito equivalente de C.A
Siguiendo los pasos y procedimientos anteriores, el siguiente paso sera el de representar al
transistor por el modelo de señal pequeña de parámetros “h” para la configuración de colector común, sin
embargo el circuito resultante es un circuito que no suele utilizarse en la practica. En la práctoca, su
análisis es desarrollado mediante representación de parámetros “h” correspondientes a la configuración
de emisor común.
ANALISIS DE CA
El voltaje de base viene dado por
Vb  Vbe  Ve
estos voltajes en términos de las corrientes del trasistor quedan expresados como:
Vb  (hie )(ib )  ( RL´ )(ie )
expresando la corriente de emisor en términos de la corriente de base:
Vb  (hie )(ib )  ( RL´ )(h fe  1)(ib )
Vb  [h fe  (h fe  1)( RL´ )]
esta ecuación puede ser representarla mediante el siguiente circuito
con este circuito, podemos obtener el valor de la impedancia de entrada
Zi  RB ||[hie  (h fe  1)( RL´ )]
la ganancia de voltaje puede encontrarse a partir de la multiplicación de diverso factores
Av 
vL  vL   vec   vbc 
    
vS  vec   vbc   vS 
vL
1
vec
'
( h fe  1)( RL )
vec

vbc h  ( h  1)( R ' )
ie
L
fe
RB || [hie  (h fe  1)( RL' )]
vbc

vS RB || [hie  (h fe  1)( RL' )]  rS
haciendo
k  [hie  (h fe  1)( RL´ )]
con la intención de simplificar
Vbc
RB || k

VS RB || k   rS
( RB )(k )
Vbc
RB  k

VS  ( RB )(k ) 

  rS
 RB  k 
( RB )(k )
Vbc
RB  k

( RB )(k )  ( RB )(rs )  (k )(rS )
VS
RB  k




Vbc  RB 
k


 

( RB )(rS ) 
VS  RB  rS 
k 

RB  rS 

Vbc  RB

VS  RB  rS


k


 k  (rS || RB ) 
Multiplicando los factores:
 Vec

 Vbc
 Vbc

 V S



Obtenemos:
Av 
'
vL  (h fe  1)( RL )   RB


vS  hie  (h fe  1)( RL' )   RB  rS

[hie  (h fe  1)( RL' )]




'
  [hie  (h fe  1)( RL )]  ( rS || RB ) 
Dividiendo numerador y denominador por (hfe 1)(RL´ ) :




vL  RB 
1


Av 


vS  RB  rS   hie  ( rS || RB )  1 
 (h  1)( R ' )

L
 fe

Generalmente:
(hfe  1)( RL' )  (hie  rS || RB )
 Av 
VL
RB

VS rS  RB
Además casi siempre rS  RB
 Av 
VL
1
VS
Para obtener la ganancia de corriente se utiliza el siguiente circuito:
Ai 
i L  i L  ie
  
iS  ie  ib
 ib

 iS



iL
RE

ie R E  R L
ie
 hfe  1
ib
ib
RB

iS [ RB  hie  (h fe  1)( RL' )]

 RE  
RB
 Ai   h fe  1 

 
'
 RE  RL   [ RB  hie  (h fe  1)( RL )] 
Por lo que respecta al cálculo de la impedancia de salida Zo se observa que esta impedancia
corresponde a la resistencia de Thevenin vista por el capacitor CE en el amplificador de emisor común.
Zo  RE ||
hie  ( rS || RB )
(h fe  1)
Ejercicio:
Para el amplificador que se muestra en la figura, determinar lo siguiente:
a) La impedancia de entrada y la impedancia d salida
v
b) La ganancia de voltaje Av  L .
vS
i
c) Su ganancia de corriente Ai  L .
iS
d) El valor de los capacitores para que la frecuencia de corte en frecuencias bajas sea de 50 Hz.
En los incisos, a, b, c, suponer que todos los capacitores tienen reactancia despreciable a la frecuencia de
la señal.
R1=18k
R2=90k
RE= RL=1.2k
RC=4.8k
hfe=125
Vcc=12V
rS=50

De acuerdo a polarizaciones anteriores
I  1mA
V = 6V
hie=3125
CQ
CEQ
Además
R '  600 
R r  50 
L
B
s
Soluciòn:
a)
Z i  R B hie  (h fe  1) R '   15000 3125  125  1 600  12599.359
L
h ie  R B r S  1200
h fe  1
Z o  RE
3125  15000 50
 24.678
125  1
b)
Av 

(h fe  1) R 'L
h
ie
 (h fe  1) R 'L
R
B
R r
B
s
 h  (h  1) R ' 
L
fe
 ie
 h  (h  1) R '   R
L
B
fe
 ie
3125  (125  1)600
r
s
(125  1)600
15000
 0.956
3125  (125  1)600 15000  50 3125  (125  1)600  15000 50
c)

50  12600
Ai  i L  Av r s Z i  0.9565 1200  10.083
is
RL
Tomando el diagrama de señal pequeña y localizando la posición de los capacitores.
A frecuencia de corte:
RTH Ci  Z i  R s  12560
C i  2 f
1
X Ci

1
 215.628nF
2 f (12650)
RTH Co  Z o  R
C o  2 f
1
X Co

L
 1225
1
 2.6F
2 f (1225)
RTH Cc  R c  4800
C c  2 f
1
X Ci

1
 663.145nF
2 f (4800)
1
Ejemplo de diseño de un amplificador de señal pequeña en Colector común (Emisor
Seguidor)
Propuesta para diseño:
Diseñar un amplificador en Colector Común en donde el transistor 2N3904 se
encuentre polarizado por divisor de tensión.
Dado que la ganancia de voltaje de este amplificador es de aproximadamente 1,
entonces partiremos como opción de diseño el de cumplir con una determinada ganancia de
corriente.
Sabemos que la impedancia de entrada de este amplificador es muy grande, esto
significa que la ganancia de corriente se vera grandemente disminuida, pues la mayor parte
se ira por la RB de polarización, la que además debe cumplir con los criterios de
estabilidad.
El amplificador en Colector Común es el que se muestra en la figura:
VCC
R2
R1
RE
is
 ie
Dada las circunstancias anteriores, significa que no podemos obtener una ganancia de
i
i
corriente elevada para la relación e (sin embargo la relación e  hfe  1 la cuál si es
ib
is
alta)
ie
 14
is
El circuito equivalente de señal pequeña para la unión B-E es
Nuestro propósito de diseño es de obtener una ganancia
la ganancia
ie
viene dada por
is
2
La ganancia
i
(hfe  1) RB
hfeRB
ie
viene dada por e 

is hie  (hfe  1) RE  RB hfehie hfeRE  RB
is
Dado que el criterio para estabilidad del punto de operación para cambios de  es
1
RB  hfeR E
10
Al sustituir tenemos
ie
0.1hfe2 RE

is hfehib hfeRE  0.1hfeRE
ie
0.1hfe RE

is hib  RE  0.1RE
ie
0.1hfe RE
1hfe RE


is hib  1.1RE 10hib  // RE
Si elegimos
ICQ  1mA y hfe  150 en un transistor 2N3904, entonces si queremos una
ganancia de valor Ai tenemos que
3
ie
hfeRE

 Ai
is 10 VT  // R
E
I CQ
hfeRE  Ai [10
VT
 // RE ]
I CQ
hfeRE  Ai [10
25
 // RE ]
1
hfeRE  250 Ai  // Ai RE
// Ai RE  hfeRE  250 Ai
RE [// Ai RE  hfe]  250 Ai
RE 
250 Ai
11Ai  hfe
Por lo tanto, Si queremos una ganancia de corriente
Ai 
ie
 14
is
Entonces.
RE 
250(10)
//(40)  150
RE 
2500
154  150
RE  625
4
Siendo de 620  su valor comercial más cercano.
Dado que debe existir un voltaje de 6V entre colector y emisor, significa que se requiere un
resistor de colector, como se muestra en la siguiente figura.
VCC
R2
RC
CC
R1
RE
Para calcular Rc:
VRc  VCC  VCE  VRE
VRc  12V  6V  625(1m A)
VRc  12V  6V  0.625V
VRc  5.375V
RC 
VRE 5.375V

 5.38K
I CQ
1m A
Siendo su valor comercial más cercano RC  5.1K
Los valores de R1 y R2 se calculan como siempre
RB
R1 
V
1  B
VCC
RB 
1
150
 RE 
620  9.3K 
10
10
5
VBB  I CQ (
R1 
RB

 RE )  VBE  1.38V
9300
 10.5K 
1.38
1
12
Siendo su valor comercial el de 10 K
R1  10K
Calculando R2 .
V
12
R2  CC RB 
9300
VBB
1.38
R2  80.88K 
Siendo su valor comercial
R2  82K
En resumen, los elementos de diseño son:
VCC  12V
R1  10K
R2  82K
RE  620
RC  5.1K
hfe  150
Transistor 2N3904
6