El BJT en la zona activa-08-09

El BJT en la zona activa
Electrónica Analógica
1º Desarrollo de Productos Electrónicos
Índice
• 1.- Amplificadores con BJT.
• 2.- Osciladores LC con BJT.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
2
1
1.- Circuitos amplificadores con BJT
• 1.- Circuitos amplificadores.
–
–
–
–
–
–
–
1.1.- Conceptos generales de los amplificadores.
1.2.- Clases de amplificación.
1.3.- Circuitos de polarización.
1.4.- Modelo de parámetros “h”.
1.5.- Amplificador en emisor común.
1.6.- Amplificador en colector común.
1.7- Amplificador en base común.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
3
1.1.- Conceptos generales de los
amplificadores.
Rg
ug
IIN
uIN
IOUT
Amplificador
uOUT
ZL
•
•
•
•
Ganancia de tensión (AV): cociente entre la tensión de salida y la de entrada.
Ganancia de intensidad (AI): cociente entre la intensidad de salida y la de entrada.
Impedancia de entrada (ZIN): cociente entre la tensión y la intensidad de entrada.
Impedancia de salida (ZOUT): es la impedancia equivalente de Thevenin desde los
terminales de salida.
•
Ancho de banda (BW): margen de frecuencias en el que podremos utilizar el
amplificador.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
4
2
1.2.- Clases de amplificación.
•
•
•
•
Clase A
Clase B
Clase AB
Clase C
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
5
1.2.1.- Clase A
• Trabajan durante todo el ciclo de la señal de
i
entrada
C
Q
iB
iB
vCE
t
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
6
3
1.2.2.- Clase B
• Funcionan únicamente un semiperiodo de la
i
señal de entrada
C
iB
Q
iB
vCE
t
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
7
1.2.3.- Clase AB
• Es un caso intermedio entre la clase A y la B
iC
iB
Q
iB
vCE
t
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
8
4
1.2.4.- Clase C
• Conducen menos de un semiperiodo de la
i
señal de entrada
C
iB
iB
Q
vCE
t
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
9
1.3.- Circuitos de polarización
VCC
• Circuito básico
RB
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
RC
10
5
1.3.- Circuitos de polarización
• Polarización por
realimentación del
emisor
• Presenta más estabilidad
que el anterior frente a
cambios de temperatura
y/o β
VCC
RB
RC
RE
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
11
1.3.- Circuitos de polarización
• Polarización por
realimentación del
colector
• Presenta buena
estabilidad frente a
cambios de temperatura
y/o β
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
VCC
RC
RB
12
6
1.3.- Circuitos de polarización
VCC
• Polarización universal
• También llamado:
– Polarización por divisor
de tensión
– Circuito autopolarizado
• Es el más utilizado
• El más estable frente a
cambios de temperatura
y variaciones de β
Electrónica Analógica
R1
RC
R2
RE
El BJT en la zona activa
13
1.4.- Modelo de parámetros “h”
i1
u1
i2
h11
h12u2
h21i1
h22
u2
• Ecuaciones:
u1 = h11·i1 + h12·u2
i2 = h21·i1 + h22·u2
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
14
7
1.4.- Modelo de parámetros “h”
• También llamado:
– Modelo de parámetros híbridos,
– Modelo equivalente del transistor de pequeña señal.
• El parámetro h11 representa una resistencia.
• El parámetro h12 se llama ganancia de tensión inversa, ya que
representa una fuente de tensión dependiente de la tensión de
salida u2.
• El parámetro h21 se llama ganancia directa de intensidad,
representa una fuente de intensidad que depende de la
intensidad de entrada i1.
• El parámetro h22 representa una admitancia, es decir, el inverso
de una resistencia.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
15
1.4.- Modelo de parámetros “h”
• Los coeficientes “h” cambian de nombre y de valor
según la configuración: emisor común, colector
común y base común.
Configuración
h11
h12
h21
h22
Entrada
Salida
Emisor común
Base
Colector
hie
hre
hfe
hoe
Base común
Emisor
Colector
hib
hrb
hfb
hob
Colector común
Base
Emisor
hic
hrc
hfc
hoc
• “i” de input, “r” de reverse
• “f” de forward, “o” de output
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
16
8
1.4.- Modelo de parámetros “h”
iB
iE
hie
B
uBE
C
hreuCE
hfeiB
hoe
uCE
E
• Los valores típicos del modelo en emisor común son:
• hie = 1000 Ω, hre = 2·10-4
• hfe = 100, hoe = 2·10-5 Ω-1
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
17
1.4.- Modelo de parámetros “h”
• Los valores típicos del modelo en colector
común son:
• hic = 1000 Ω, hrc = 1
• hfc = – 100, hoc = 2·10-5 Ω-1.
• Los valores típicos del modelo en base común
son:
• hib = 20 Ω, hrb = 3·10-4
• hfb = – 0,98, hob = 0,5·10-6 Ω-1
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
18
9
1.5.- Amplificador en emisor común
VCC
R1
Rg
RC
uOUT
IIN
IOUT
C2
C1
ug
R2
uIN
Electrónica Analógica
RE
ZL
CE
El BJT en la zona activa
19
1.5.- Amplificador en emisor común
• Circuito equivalente:
Rg
IIN
B
hie
iB
C1
ug
R1
uIN
R2
IOUT
C
hreuCE
hfeiB
C2
hoe
RC
E
RE
ZL
uOUT
CE
• C1, C2 y CE se pueden considerar cortocircuitos.
• hre y hoe se pueden despreciar.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
20
10
1.5.- Amplificador en emisor común
• Circuito equivalente:
Rg
ug
IIN
B
R1
iB
IOUT
C
hfeiB
hie
R2
uIN
RC
ZL
uOUT
E
• Con estas simplificaciones obtenemos la impedancia
de entrada, la impedancia de salida, la ganancia de
tensión y la ganancia de intensidad.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
21
1.5.- Amplificador en emisor común
1
• impedancia de entrada: Z IN = 1 1 1
+
+
R1
R2
• impedancia de salida:
Z OUT = R C
• ganancia de tensión:
AV =
• ganancia de intensidad: A I =
Electrónica Analógica
h ie
u OUT
R ·Z h
= C L · fe
u IN
R C + Z L h ie
i OUT
R C ·Z IN ·h fe
=
i IN
(R C + Z L )·h ie
El BJT en la zona activa
22
11
1.5.- Amplificador en emisor común
• Av: mayor que la unidad.
• AI: mayor que la unidad.
• ZIN: valor intermedio respecto a las otras
configuraciones.
• ZOUT: valor intermedio respecto a las otras
configuraciones.
• La configuración emisor – común es la única
que proporciona al mismo tiempo ganancias de
tensión y de intensidad superiores a la unidad.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
23
1.6.- Amplificador en colector común
VCC
R1
Rg
IIN
uOUT
ug
Electrónica Analógica
uIN
R2
El BJT en la zona activa
RE
C2
IOUT
C1
ZL
24
12
1.6.- Amplificador en colector común
• AV: ligeramente menor que la unidad.
• AI: similar a la de emisor – común.
• ZIN: es la mayor de las tres configuraciones.
• ZOUT: la menor de las tres configuraciones.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
25
1.7.- Amplificador en base común
VCC
R1
RE
uOUT
IIN
IOUT
COUT
Rg
C1
R2
RE
CIN
uIN
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
ug
ZL
26
13
1.7.- Amplificador en base común
• AV: aproximadamente la misma que en la
configuración de emisor – común.
• AI: menor que la unidad.
• ZIN: la menor de las tres configuraciones.
• ZOUT: la mayor de las tres configuraciones.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
27
2.- Osciladores LC con BJT
• 2.1.- Principio de funcionamiento.
• 2.2.- Modelo general. Circuito tanque.
• 2.3.- Oscilador Colpitts.
– 2.3.1.- Oscilador Colpitts en emisor común.
– 2.3.2.- Oscilador Colpitts en base común.
– 2.3.3.- Oscilador Colpitts en colector común.
• 2.4.- Oscilador Hartley.
– 2.4.1.- Oscilador Hartley en emisor común.
– 2.4.2.- Oscilador Hartley en base común.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
28
14
2.1.- Principio de funcionamiento
1.
2.
3.
•
Carga del condensador.
Descarga a través de la
bobina.
La descarga se produce a
una frecuencia a la que
XL = XC
Esta frecuencia se llama
frecuencia de resonancia.
fr =
R
VCC
C
L
1
2π LC
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
29
2.2.- Modelo general. Circuito tanque.
• Z1, Z2 y Z3 son 3 impedancias
(L – C), y forman el llamado
circuito tanque.
• Para que arranque la oscilación
se debe cumplir:
hFE ≥
X1
X2
Z3
Z2
Z1
• La frecuencia se obtiene de:
• X1 + X2 + X3 = 0
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
30
15
2.2.- Modelo general. Circuito tanque.
• Z1 y Z2 deben ser del mismo
tipo (L o C).
• Z3 debe ser del tipo contrario.
• Por lo tanto hay 2
configuraciones básicas:
Z3
Z2
Z1
– Z1 y Z2 son condensadores y Z3 es
una bobina (Colpitts).
– Z1 y Z2 son bobinas y Z3 es un
condensador (Hartley).
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
31
2.3.- Oscilador Colpitts.
• Z1 y Z2 son condensadores y Z3
es una bobina.
• Existen 3 posibilidades:
C2
L
C1
– Colpitts en emisor común.
– Colpitts en base común.
– Colpitts en colector común.
• Condición de oscilación:
hFE ≥
Electrónica Analógica
• Frecuencia de oscilación:
C2
C1
f =
El BJT en la zona activa
1
2π
C1 + C 2
L·C1 ·C 2
32
16
2.3.1.- Colpitts en emisor común.
VCC
LRFC
R1
VS
C1 CD
L
R2
RE
CD
C2
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
33
2.3.2.- Colpitts en base común.
VCC
L
RB
VS
C2
C3
Electrónica Analógica
RE
El BJT en la zona activa
C1
34
17
2.3.2.- Colpitts en base común.
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
35
2.3.3.- Colpitts en colector común.
VCC
CD
R1
CD
L
R2
C1
C2
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
VS
RE
36
18
2.3.4.- Ejercicios.
• Simular los osciladores de Colpitts (VCC=12 V):
– Emisor común: R1 = 12 kΩ, R2 = 4,7 kΩ, RE =
2,2 kΩ, L = 40 µH, LRFC = 3 mH, C1 = 6,8 nF, C2
= 1 nF, CD = 100 nF
– Base común: RB = 47 kΩ, RE = 180 Ω, L = 10 mH,
C1 = 100 nF, C2 = 100 nF, CD = 100 nF
– Colector común: R1 = 54 kΩ, R2 = 83 kΩ, RE = 5
kΩ, L = 3 µH, C1 = 33 pF, C2 = 54 pF, CD = 68 nF
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
37
2.4.- Oscilador Hartley.
• Z1 y Z2 son bobinas y Z3 es un
condesador.
• Existen 3 posibilidades básicas:
L2
C
– Hartley en emisor común.
– Hartley en base común.
– Hartley en colector común.
• Condición de oscilación:
hFE ≥
Electrónica Analógica
L1
• Frecuencia de oscilación:
L1
L2
f =
El BJT en la zona activa
1
2π (L1 + L2 )·C
38
19
2.4.1.- Hartley en emisor común.
VCC
LRFC
R1
VS
CD
L1
C
R2
RE
L2
Electrónica Analógica
CD
El BJT en la zona activa
39
2.4.2.- Hartley en base común.
VCC
R1
RC
VS
L2
C2
CD
R2
RE
L1
LRFC
Electrónica Analógica
El BJT en la zona activa
40
20