ElTransistorcomoA mpli…cador

1
ElTransistorcomoA mpli…cador
R . Carrillo, J.I.H uircan
i B [uA]
A bstract— L aincorporacióndeexcitaciones decorrientealterna(ca), producen variaciones en iB , vB E, las que asu vez
modi…can las variables iC y V C E delB JT . L a incroporación
de capacitores en elcircuito, hace que éste se comporte de
distintaformaparacacomoparacc. D e estaformase tiene
una recta de carga para cc y ca. P ara aseguraruna ampli…cación linealy má xima excursión simétrica se debe colocar
elpunto Q en elcentro de la recta de carga de ca.
Keywords— A mpli…cadores T ransistorizados
I BQ
vi (t)
VBB
I. Introduction
U nadelas aplicaciones má s típicasdelB JT es suusocomo
ampli…cadordecorrientealterna. D ichaaplicaciónconsiste
enunsistemacapazdeampli…carlaseñaldeentradaenun
factorde ganancia determinado, donde la ganacia será la
relacióndesalidasobrelaentrada. Entérminos deseñales
delvoltaje, sehabladegananciadevoltajeA v = vvoi . P ara
que este sistema funcione, primeroelB JT debe estarpolarizado adecuadamente (zona activa). Esto signi…ca que
simultá neamenteconvivenelementos decorrientecontinua
(cc) y corriente alterna (ca). En los siguientes apartados
se aná lizan los efectos de ambas componentes y se introducen conceptos diná micos de funcionamiento de los sistemas basados enB JT .
RC
RB
+
Q
IC
IB
t
i C [mA]
ICQ
+
VCC
+
t
v [V]
CE
VCEQ
t
(a)
(b)
Fig. 2. (a) Circuito con excitación variable. (b) V ariaciones del
puntoQ .
tanto, I
orma, la tensión R C I
C aumenta, de esta f
C crece
haciendoqueV C E disminuya. Si alvariación enlaentrada
hacedisminuirelvoltajeV B E , entoncesI
C disminuye, V C E
crece, comoseindicaen laFig.2b.
Seobservaquecadaunadelas variables poseeunacomII. V ariaciones en el punto Q debido a
ponente continua y una componente alterna. Considerexcitaciones alternas
adoqueeltransistorserá usadocomounsistemacapaz de
Sea eltransistorpolarizado de la Fig. 1a. Considerando ampli…carseñales, eldispositivorecibe corriente continua
ectos depolarización (funcionamiento) yseñales de
que se encuentraen zonaactiva, sean los valores de I
C = paraef
terna, las queserá n ampli…cadas. É stas deben
I
C Q , VC E = V C E Q ;I
B =I
B Q yV B E = V B E Q mostradosen corrienteal
laFig. 1b(los valores indicados sonencorrientecontinua). convivirsimultá neamentesinquecadaunaafectealaotra
produciendoun funcionamientoanómalodelsistema.
i B [uA]
U nade las aplicaciones ampli…cadoras má s típicas es el
I BQ
circuitode emisorcomún de laFig. 3, elcualrecibe una
señalvi(t)queestransmitidahacialasalidavo(t)yporotro
t
l
adotieneunafuentedepolarizacióndecorrientecontinua
i
[mA]
C
Rc
Q
VC C .
Rb
+
V
BB
Ic
IB
I CQ
+
Vcc
Vcc
t
vCE [V]
Rc
VCEQ
(a)
Cc
R1
(b)
t
Fig. 1. (a) Circuitode P olarización Fija. (b) V ariación delpuntoQ .
Considerandounaexcitaciónvi(t)detipoalternaalcircuitodebasecomoloindicaelcircuitodelaFig. 2a.
Elvoltajeaplicadoalajunturabase-emisorserá variable.
Si las variaciones son tales que el voltaje V B E aumenta,
entonces lacorrientedebaseI
n aumenta, porlo
B , tambié
U niversidad de L a Frontera. D epartamentode Ing. Eléctrica
vo
Ci
Q
v
i
R
2
RE
RL
CE
Fig. 3. A mpli…cadorde emisorcomún.
L os capacitores, permiten conectarla excitación con el
circuitoyasu vez unirelcircuitocon lacarga.
2
∆i c
III. R ecta de carga A lterna
∆v
CE
A . Circuitos de ccyca
D adalaexistenciadecomponentes de señal, tantocontinuacomoalterna, sehacenecesariode…nirelcircuitode
cargaantevariaciones delaseñalalterna. Elelementoidóneoparaactuarcomoseparadorde tales variaciones es el
capacitorelectrolítico.
Sea elcircuitode salida de la Fig. 4 correspondiente a
unacon…guración deemisorcomún
RL Rc
Fig. 6. Circuitode ca simpli…cado.
¢ vC E
+ Vcc
Rc
= ¡(R L jjR C )¢ iC
= ¡R A C ¢ iC
(2)
D ondeelresistorR C jjR L = R A C , resistenciadeca. Expresandolavariación respectodelpuntoQ , setiene
Cc
RL
vC E ¡V C E Q = ¡R A C (iC ¡I
CQ )
Fig. 4. Etapa de salida de emisor-común.
(3)
Finalmente
vC E = ¡R A C (iC ¡I
(4)
C Q )+ V C E Q
L amisióndelcapacitorestransmitirlaseñalampli…cada
alacarga. P aratalefectosu reactanciaalafrecuenciade
L a que se conoce como recta de carga alterna. P ara
señaldebe resultar lo má s pequeña respecto de la carga
vC E = 0 , setieneiC = iC max, entonces
R L . A sí, el capacitor recibe el nombre de condensador
de paso. Este condensadorbloquea en todomomentolas
V C E Q = R A C (iC max ¡I
CQ )
componentes decorrientecontinua, pues, lareactanciadel
capacitor tiende a in…nito, es decir, si X C = !C1 c, para
L uego, si iC = 0 , entonces setieneque
!= 0 ;X C ! 1 ypara!6
=0 , X C ! 0 :
L as componentes alternas y continuas circulará n por
vC E max = R A C I
C Q + VC E Q
diferentes elementos delcircuito. D eestaformaseestablecendos redes desalida, unaparacorrientecontinuayotra
A ldibujarlas rectas decargadeccy ca, seintersectan
paracorrientealterna, comosemuestraen laFig. 5.
en alpuntoQ , comoseveen laFig. 7 .
+ Vcc
Rc
Rc
iC
i
Cmax
Vcc
Rc
RL
Recta de ca
ICQ
(a)
Recta de cc
(b)
Fig. 5. (a) Circuitode ca. (b) Circuito de cc.
VCEQ
v
CEmax
Vcc
vCE
Estonosigni…caqueseancircuitos distintos, sinoquese Fig. 7 . Intersección de la recta de carga ca con la recta de carga cc.
comportandedistintamanera, tantoparacccomoparaca,
así setendrá n dos rectas decarga.
B . A mpli…cadoren emisorcomún con R E
P aracc, larectadecargaestá dadapor
SeaelcircuitodelaFig. 3. H aciendounaná lisisencc, se
vC E
VC C
+
(1) tieneelcircuitodelaFig. 8 a yen caseobtieneelcircuito
iC = ¡
RC
RC
dellaFig.8 b. A sí, paraccsetiene
D ondeR C = R C C , resistenciadecc.
P orotroladoparaca, setiene quedadalas variaciones
v
VC C
³C E ´
³
´
iC = ¡
+
(5)
entornoalpuntoQ , considerandotantolas variaciones de
¯+ 1
¯+ 1
RC +
R
R
+
R
E
C
C
¯
¯
laamplitudtantodeiC comodevC E , entonces, sea¢ vC E ;
³
´
lavariación delvoltajecolectoremisorrespectodelpunto
D ondeR C C = R C + ¯+¯ 1 R E ' R C + R E ;si ¯ > > 1 :
Q . A sí ¢ iC será la variación de la corriente de colector
respectodelpuntoQ . luego
P aracasetiene
3
RC
R
1
R2
Q
VTH
iC
Vcc
vo
v
Q
i
RE
R1 R
RL R C
i
Cmax
Vcc
Rcc
Recta de ca
ICQ
2
Recta de cc
(a)
(b)
VCEQ
Fig. 8 . A ná lisis de circuito con R
¢ vC E
Vcc
vCE
E.
= ¡(R L jjR C )¢ iC
= ¡R A C ¢ iC
Fig. 10. M á xima excursión simétrica.
(6
)
D ondeR A C = R L jjR C :P araestasituación setieneque
larectade carga decctiene unapendiente menorque en
elcasoanterior. P orotro ladola recta de carga en ca es
igual.
C. M á xima Excursión Simétrica
P aravariaciones devC E , deacuerdoalacurvadelaFig.
9 , se observa que dichovoltaje puede irdesde elpuntoQ
hastaunvC E max, deacuerdoalarectadecargadeca. Esto
produceunavariacióndeiC respectodeI
C Q , quepuedeno
seriC max;lacorrientenoalcanzaelvalormá ximodado.
iC
i
v
CEmax
R AC I
VC C
CQ
I
= ¡
+
CQ
RC
RC
¶
µ
VC C
R AC
=
I
1 +
CQ
RC
RC
Finalmentesetieneque
I
CQ =
VC C
R AC + R CC
(8)
L a cualresulta muy útilpara analizarlos circuitos de
má ximaexcursión simétricadesalida.
D . Condesadoren elemisor
Cmax
Recta de ca
ICQ
Recta de cc
VCEQ
v
CEmax
Vcc
Fig. 9 . Excursión de la señalde vC E e iC :
vCE
A lexistiruna resistencia en elterminalde emisor, no
se puede establecerque dicha con…guración es de emisor
común note elcaso de la red de polarizacion universaly
otras). P ara permitirque elemisorsea un punto de potencialnulo, seincluyeuncondensadorelectroliticoC E , el
cual, presentaunareactanciabajafrentealvalordelaresistenciavista en emisor, es decir, C E debe sertalque la
resistencia vista desde elemisorsea nula (cortocircuito),
ydebeserfacilitadoalafrecuenciadeseñal.
En general, en tanto: C E yC C deben sertales que:
² En casecomportan comocortocircuito.
² En ccsecomportan comocircuitoabierto.
IV . D iseño para máxima excursión simétrica
P araobtenerunaexcusiónmá ximaencorriente, quepermita una salida má xima de voltaje en la carga, se debe
Example 1: P araelsiguientecircuitohallarR 1 , R 2 yR E
colocarelpuntoQ enelcentrodelarectadecargadeca. para má xima excurción simétrica, considere una I
CQ =
Esteconceptosede…necomomá xima excursión simétrica 25 [mA ]
, ¯ = 1 0 0 y V cc = 1 0 [V ]. D eterminarelmá ximo
ofuncionamientoen clase A de alterna.
voltajedesalidapeak.
A sí, para garantizaruna ampli…cación linealy de maxP lanteandolamalladesalidaen cc
ima excursión simétrica, sedebecumplirque
V cc = I
(9 )
C Q (R L + R E )+ V C E Q
VC E Q = R A C I
(7 )
CQ
A sí R C C = R L + R E . P lanteandolamalladesalidaen
Considerandolarectadeccdadaen (1) en elpuntoQ , ca
entonces,
(iC ¡I
(10)
C Q )R L = ¡(vC E ¡V C E Q )
4
Vcc
A si setieneque
R L =150
Ω
R1
R1
vo
Ci
R2
Q
v
i
R
2
RE
²U
CE
sandoelcriteriobasadoen R B ·0 :1 ¯R E setiene
RB
VB B
Fig. 11. Circuitoampli…cador.
RL
R1
vo
v
i
R TH
Q
R2
RL
R1 R
2
(b)
Example 2: Considerandoelcircuitode la Fig. 11, diseñeparaV C E Q = 5 [V ]
, eI
. P lanteandolas
C Q = 25 [mA ]
ecuaciones de malla para la entrada y la salida en cc se
tiene
(11)
VB B
VC C
P erodeacuerdoa(8 ) setieneque
1 0 [V ]
1 0 [V ]
=
R AC + R C C
RL + RL + RE
1 0 [V ]
=
2 (1 50 )+ R E
(17 )
(18)
V . D iseño por sobre y debajo de la excursión
simétrica
A sí R C A = R L = 1 50 [- ]. P orotroladode acuerdoa (7 )
setieneque
= RL ¢
25 [mA ]
= 1 50 ¢
25 = 3:75V
está dadopor
vop = I
R CA
CQ ¢
= 3:57[V ]
Fig. 12. (a) Equivalente en cc. (b) Equivalente en ca.
VCE Q
V ccR B
= 2:9 [K- ]
VB B
= 1 :5 [K- ]
=
² Elmá ximovol
tajedesalidapeak,
RE
(a)
= 1 0 (1 0 0 )= 1 [K- ]
= 0 :25 + 0 :7+ 2:525 = 3:475 [V ]
L uego
Vcc
V
TH
V ccR B
= 1 :2 [K- ]
VB B
= 60 0 [- ]
=
= I
B Q R B + VB E + I
C Q (1 :0 1 )R E
= I
C Q (R L + R E )+ V C E Q
L uego
25 [mA ] =
(12)
R esolviendoatravés de(9 ) o(12) setiene
1 0 [V ] = 0 :0 25 (1 50 + R E )+ 5 [V ]
0 :0 25
VB B =
R B + 0 :7+ 0 :0 25 (1 :0 1 )R E
100
D onde
R E = 1 0 0 [- ]
(13)
R B = 40 0 [- ]
(15)
R E = 50 [- ]
P araeldiseñodeR 1 yR 2 sepuedenusarlos criterios adoComoparaeldiseñodeR 1 yR 2 nohansidoespeci…cados tados enelejemplo1. ¿Cuá lserá elñ má ximovoltajepeak
criterios seestablecen dos formas.
desalidasin distorsión?
² U sandouncriteriobasadoenelcoe…cientedeestabil
idad
Example 3: Considerandoelcircuitode la Fig. 11, disdelacorriente, setiene
eñeparaV C E Q = 3 [V ]
, eI
. P lanteandolas
C Q = 25 [mA ]
ecuaciones de malla para la entrada y la salida en cc se
RB
S I= 1 +
(14) tieneP lanteandolas ecuaciones demallaparalaentraday
RE
lasalidaen ccsetiene
P araS I= 5,
25[mA ]
D adoqueI
B Q = 1 0 0 , entonces
VB B
= I
B Q R B + VB E + I
C Q (1 :0 1 )R E
40 0
= (0 :0 25)
+ 0 :7+ 2:525
100
= 3:32 [V ]
0 :0 25
R B + 0 :7+ 0 :0 25 (1 :0 1 )R E
100
1 0 [V ] = 0 :0 25 (1 50 + R E )+ 3 [V ]
VB B
=
D eestaformasetiene
R E = 1 30 [- ]
(16
)
¿Cualserá elvo peakmá ximosindistorsión?
(19 )
5
V I. Conclusiones
L aincorporacióndeseñalesdecorrientealternaenelcircuitouncircuitocontransitores de…neelusodelarectade
cargaparaca, otambiénllamadarectadecargadiná mica.
Este nuevoelementopermite describirelcomportamiento
delas variables delB JT cuandoésterecibeseñales tipoca,
pues establecelos valores entrelos cuales ‡uctuará lacorriente iC y elvoltaje vC E . P ara de…niresta nueva recta
de carga de ca, se debe establecer el punto Q para un
valordeterminado. Si se quiere lograrunaprestación lineal del ampli…cador, elpunto Q debe estar en el centro
de la recta de carga de ca, esto se conoce como má xima
excursión simétrica.