Amplificador Ec 364c

Amplificación en configuración Emisor Común Amplificador Emisor Común El amplificador Emisor Común (Amp-EC), se llama así porque las Corrientes de base y de colector se combinan en el emisor. En la Figura 1.1 se muestra la configuración del amplificador, donde se selecciono un transistor npn.

C Q1 B

Entrada

RB

Figura 1.1 Amplificador Transistor npn.

E

configuración

RL

Salida

Emisor

Común

con

Las características generales de operación en la configuración de Emisor Común son típicas y tendrá variaciones para los diferentes tipos de transistor en un rango como el siguiente: La impedancia de entrada es de un valor medio, dentro de un rango de 20 a 5000Ω, lo mismo que la de salida que puede estar entre 50 y 5000Ω. La configuración de Emisor Común proporciona la mayor ganancia de potencia entre las diferentes configuraciones. Observar la Tabla 1.1

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Amplificación en configuración Emisor Común

Tipo de ZENT ZSAL AV AI circuito Base Baja Alta Si Menor común que 1 Emisor Mediana Mediana Si Si común Colector Alta Baja Menor Si común que 1 Z= Impedancia, AV= Ganancia de Voltaje, AI= Ganancia de Corriente Tabla 1.1 transistor.

Características

de

las

Inversión de Fase No Si No

configuraciones

para

el

La ganancia de corriente es la configuración de Emisor Común, está representada por beta (β) y su fórmula es:

β= IC/IB

ec. (3.1)

Puesto que la corriente de Colector es siempre mayor que la de Base, la ganancia de corriente es siempre mayor que 1.

Análisis en CD (cálculo de las Corrientes y Voltajes del punto de operación) Para diseñar un Amplificador Emisor Común en primer lugar se analiza el circuito de la Figura 1.1 bajo condiciones de cd.

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Amplificación en configuración Emisor Común

La fuente variable Vi, se hace igual a cero, aplicando la ley de tensiones de Kirchhoff (LTK) en el lazo de Base da como resultado: IBRB + VBE – VBB = 0

ec. (3.2)

Recordar que VBE está entre 0.6 y 0.7V para transistores de silicio y a lo largo del tutorial VBE se tomara de 0.7V, ahora aplicando LTK a través del lazo de Colector-Emisor como sigue:

VCC = RCIC+VCE

IC

VCC VCE RC

ec. (3.3)

La ecuación 3.3 define la línea de carga, que se dibuja en las curvas características de la Figura 1.2 (a). Ahora se puede seleccionar sobre la línea de carga el punto Q, o punto de operación, que se define como el punto de señal cero. Si se supone ahora una entrada de ca: Vi = V sen ωt La onda de salida se puede encontrar de manera grafica. Moviendo el punto de operación hacia arriba y abajo a lo largo de la línea de carga conforme cambia iB se puede graficar iC; iB y VCE, como se muestra en la Figura 1.2. Tutorial Multimedia de Electrónica Lineal Temas de Teoría

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Amplificación en configuración Emisor Común iC =

(mA) t

VCC/RC 34 mA

t

400 μA 300 μA 250 μA 200 μA 150 μA 100 μA

18 mA

50 μA

2 mA

0

5

10 15

20

VCE

VCC

t (a) Curvas características del transistor

iB (µA)

iC (mA)

≈400

34

200

18 t (s)

t (s)

≈400

2 Entrada

Salida

(b)Curvas de corriente en la entrada y la salida

Figura 1.2 Curvas características para el amplificador EC.

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Amplificación en configuración Emisor Común Se determinara el cambio en la corriente de colector para un cambio dado en la corriente de base. Esta relación es la ganancia de corriente, que se define como:

iC iB 32mA 400 A

Ai

80

En la Figura 1.2 △iC y △iB se leen como las excursiones totales en estos parámetros. Tal ganancia es la que hace importante a este dispositivo para muchas aplicaciones de ingeniería. El Amplificador EC con resistor en el emisor. En la Figura 1.3 se ilustra un Amplificador EC, al cual se añadió un resistor en el emisor. Se escribirán las ecuaciones de Kirchhoff en el lazo Emisor-Colector para determinar la línea de carga en cd. IC

B

-

+ RB

VBE IB

iC (mA)

+ C

-

VCC/(RC+RE)

VCE

Rc

E

Linea de carga en cd Punto Q

ICQ RE

VCC VCEQ

VBB

VCE (V)

Figura 1.3 Amplificador EC con resistor en el emisor. Tutorial Multimedia de Electrónica Lineal Temas de Teoría

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Amplificación en configuración Emisor Común

Con referencia a la Figura 1.3(a), se encuentra que: VCC = RCIC + VCE + REIE Como IC es aproximadamente igual a IE, se obtiene;

IC

VCC VCE RE RC

ec. (3.4)

Si IC = 0, entonces VCE = VCC Este punto de operación se encuentra en la región de corte. Si VCE = 0, se obtiene:

IC

VCC RE RC

Este punto se encuentra en la región de saturación. La línea de carga resultante está representada en la Figura 1.3 (b). Al utilizar el transistor en emisor común, se evito la región no lineal de las curvas características que ocurren en niveles bajos de iC (corte) y en valores bajos de VCE (saturación). A menudo, al diseñar un amplificador con transistor se desea una salida con máxima excursión no distorsionada. Si la señal de entrada en ca es simétrica alrededor de cero, se puede obtener una excursión máxima colocando el punto Q en el centro de la línea de carga. Por tanto; VCEQ =VCC/2 Esta ecuación establece a VCEQ e ICQ. Además, debido a que la unión base-emisor actúa como un diodo, Tutorial Multimedia de Electrónica Lineal Temas de Teoría

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Amplificación en configuración Emisor Común VBE = Vd Escribiendo las ecuaciones de la LTK alrededor del lazo de la base, se tiene: VBB = RBiB+VBE+ICRE Así como; IC = βiB Se tiene

VBB

RBiC

VBE iCRE

Y el punto de operación

ICQ

VBB VBE RB / B RE

ec. (3.5)

La tensión VBE se considera constante a temperatura ambiente (25°C) y tiene un valor cercano a 0.7V para transistores de silicio. Con el fin de evitar la utilización de dos fuentes de cd separadas, se puede utilizar una red de división de tensión para suministrar la fuente de cd al circuito de base, como se muestra en la Figura 1.4. Los valores de R1 y R2 determinan la ubicación del punto Q.

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Amplificación en configuración Emisor Común Vcc

Rc R2

+ +

Vi

Vo

RE R1

-

-

Figura 1.4 Circuito de transistor con una fuente. De lo anterior, las ecuaciones de diseño están expresadas como:

I BQ

I CQ hFE

Tomar en cuenta que la corriente que pasa por R1 y R2 debe ser de 20 a 40 veces más grande que la corriente que se desviará hacia la base del transistor por lo tanto.

I B1

R1

I BQ (20)

VCC VBQ I B1

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ec. (3.6)

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Amplificación en configuración Emisor Común

I1Q I 2Q R2

VCC VBQ R1 I1Q

I BQ

VBQ I 2Q ec. (3.7)

RC

RE

VCC VCQ I CQ

ec. (3.8)

VEQ I CQ

I BQ

Análisis a señal (ca)

Como la constante de diseño del voltaje de Early (VAF) de:

VAF

63.2v

Para calcular la impedancia de la fuente de corriente se tiene que:

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Amplificación en configuración Emisor Común

VCEQ VAF

Z FC

I CQ

RL'

RC // RL // Z FC

re'

25mV I EQ

R 'L A vmax = ' = re Av max

Av

mv/mv AVo =

De la siguiente expresión despejamos ' e

r

Re1 Re 2

Re1

RL' AVo RE

ec. (3.9)

mv/mv Re1 .

RL' Av

re' ec. (3.10)

Re1

ec. (3.11)

Capacitores de paso y de acoplamiento. Los capacitores se aproximan a cortocircuitos para señales de ca y circuitos abiertos para señales de cd. Por tanto, los capacitores de paso se utilizan para eliminar de manera efectiva Tutorial Multimedia de Electrónica Lineal Temas de Teoría

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Amplificación en configuración Emisor Común (poner en corto) a los resistores durante la operación en ca. Los capacitores de acoplamiento se utilizan para bloquear la corriente directa y permitir el paso de la señal de ca. Capacitores de paso. Los capacitores se pueden utilizar para poner el resistor de emisor, incrementando así la ganancia del amplificador. Para lograr esto, se selecciona un capacitor cuya impedancia en frecuencia de operación sea mucho menor que la resistencia del resistor de emisor. Como la impedancia aumenta al disminuir la frecuencia, la impedancia del capacitor debe ser mucho menor que el valor de la resistencia equivalente a través de la capacitancia en la frecuencia de operación más baja del amplificador. Capacitores de acoplamiento. Cada par de etapas de un amplificador de varias etapas se puede acoplar por medio de un capacitor. La impedancia de entrada de la siguiente etapa es la carga de la etapa anterior. El capacitor de acoplamiento es necesario para prevenir interacciones de cd entre etapas adyacentes. Un amplificador de transistor de una sola etapa tiene la forma mostrada en la Figura 1.5, donde RL es la resistencia de entrada equivalente de la siguiente etapa. Los capacitores son circuitos abiertos en cd y cortocircuito para ca (en la región de operación de frecuencia medias que se trata aquí). Sin embargo, los capacitores tienen un papel importante en la determinación de la porción de frecuencias bajas en la curva de respuesta. Así

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Amplificación en configuración Emisor Común

Req

1 2 Req C

fa

Donde:

C

RL CL

1 2 RL f a

CL

ec. (3.13)

Req

1 2 Req C

fb

CL

2

Donde:

RL

RL

RC // Z FC

C C2

1 RC // Z FC f b

ec. (3.14)

Vcc

Rc R2

C→∞

C→∞

+ + Re1 CE

Vi R1 -

Re2

RL

Vo -

Figura 1.5 Etapa de amplificación en ca emisor común. Tutorial Multimedia de Electrónica Lineal Temas de Teoría

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Amplificación en configuración Emisor Común Análisis de la respuesta en frecuencia del circuito En el análisis de la respuesta en frecuencia del circuito, mostrará la región de la banda de frecuencias medias las frecuencias de corte alta y baja del amplificador, esto ayuda a conocer con certeza que frecuencia o rango de frecuencias del circuito para obtener en el dominio del tiempo la máxima ganancia del circuito.

Para obtener las frecuencias de corte es necesario saber que éstas se miden cuando la ganancia máxima se reduce 3dB.

El análisis se realiza por medio de diagramas de Bode por ejemplo como se observa en la Figura 1.6

Figura 1.6 ejemplo de la respuesta en Frecuencia del Circuito Amplificador Emisor Común

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Amplificación en configuración Emisor Común Cuando se desea calcular la ganancia en amplitud y el valor que tienes está en decibeles, es posible aplicar la siguiente expresión: AV

ant log10

AV (dB) 20(dB)

ec. (3.15)

Que es lo mismo que:

AV (dB)

ec. (3.16)

20 log10 AV (dB)

Análisis del Circuito en el Dominio del Tiempo Para realizar el análisis en el dominio del tiempo, es necesario conocer cual es el rango de frecuencias en las cuales la ganancia del amplificador es máxima, para seleccionar una de ellas y con esto lograr obtener la grafica

Figura 1.7 ejemplo de Señales de Entrada y Salida del Circuito Amplificador de Emisor Común

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Amplificación en configuración Emisor Común

Observa que la señal de salida además de presentar amplificación en voltaje con respecto a la señal de entrada, muestra un defasamiento de 180° (esto se da en la banda de frecuencias medias), este defasamiento se debe al efecto que tiene el transistor sobre el circuito (el tipo de configuración) y no a los capacitores que intervienen en el mismo.

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