LABORATORIO DE ELECTRONICA 543243

Jorge Salgado Sagredo

jorgesalgado@udec.cl

Fofic: 220 3513

TRANSISTORES BIPOLARES Resumen de los conceptos

fundamentales de transistores bipolares.

Anlisis y diseo de amplificadores en configuracin emisor-comn.

TRANSISTORES BIPOLARES

(Segunda parte)

Capacitores de derivacin y de acoplamiento

Los capacitores son aproximadamente cortocircuitos para seales ac y circuitos abiertos para seales cc.

Los capacitores de derivacin son usados para eliminar (cortocircuitar) los resistores durante la operacin ac.

Para el caso del capacitor en paralelo con la resistencia del emisor, se selecciona el capacitor tal que, su impedancia a las frecuencias de operacin sea mucho menor que la resistencia del emisor.

Los capacitores de acoplamiento son usados para bloquear la corriente directa, pero permitir el paso de la seal alterna.

Cada etapa de un amplificador multi-etapa puede acoplarse a la siguiente mediante un capacitor.

La impedancia de entrada de la etapa siguiente es la carga para la etapa anterior.

Es necesario un capacitor para prevenir interacciones de corrientes dc, entre etapas adyacentes.

Un amplificador de una etapa tiene la forma dada en fig. 2.19, donde RL es la resistencia de entrada equivalente de la prxima etapa.

Fig. 2.19 Una etapa amplificadora emisor-comun (CE)

Lnea de carga ac en la configuracin E-C (Emisor-Comn)

Los mtodos de polarizacin para los amplificadores E-C y B-C, son idnticos, por tanto los conceptos tericos para ambos amplificadores son los mismos.

La resistencia en el circuito emisor-colector en operacin con tensin contnua (dc) es: Rdc = (RC+ RE).

En tensin alterna (ac), cuando se acopla una carga RL al transistor, a travs de un capacitor, la resistencia del circuito emisor-colector cambia. La resistencia en el circuito emisor - colector es: Rac = (Rc//RL) + RE

Ntese que en operacin ac, el terminal VCC est conectado a tierra.

Si el resistor de emisor tiene en paralelo un capacitor, entonces la resistencia ac es solamente Rac = (RL//RC).

La pendiente de la lnea de carga ac es -1/Rac

La seal ac de entrada ubica la operacin en el punto Q para seal cero; entonces, la lnea de carga ac intersecta la lnea de carga dc en el punto Q.

Si la seal de entrada es pequea, el punto Q debera ser colocado para minimizar la corriente en reposo del colector.

Al disear se eleva ICQ sobre el cero, justo lo necesario para permitir una reproduccin lineal de la seal de entrada (evitando la distorsin no lineal). En estas condiciones, el transistor disipa menos potencia, que si el punto Q se ubicara en la mitad de la lnea dc.

La lnea de carga a travs de cualquier punto Q

Se ha determinado la lnea de carga dc desde la ecuacin (2.12). sta est dada por la ecuacin:

La lnea de carga se aplica al circuito de la fig. 2.19. Recordar que los capacitores de acoplamiento son circuitos abiertos en dc.

La lnea de carga dc se ha dibujado sobre las curvas caractersticas en la fig. 2.20.

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Definiciones de resistencias ac y dc

Rdc = Resistencia total en el circuito colector-emisor bajo condiciones dc ( C abiertos).

Rac = Resistencia total en el circuito colector-emisor bajo condiciones ac ( fuentes dc iguales a cero, y Cs en cortos circuitos).

Para el circuito de la fig. 2.19, tenemos:

El punto Q, el cual est especificado para el valor cero de la seal, est sobre ambas lneas de carga, ac y dc.

La pendiente de la lnea ac es mayor en magnitud que la pendiente de la lnea dc.

Ambas curvas se han dibujado en la fig. 2.20.

Las intersecciones de la recta ac con el eje iC y con el eje vCE, pueden obtenerse desde la ecuacin de una lnea recta de pendiente conocida, m, a travs de un punto dado (x1,y1), como sigue:

La interseccin de la recta de carga ac con el eje vCE, para iC = 0, es (VCE):

Eleccin de Q en la lnea de carga para mxima amplitud de salida

Si se desea el diseo para una variacin mxima del voltaje de salida desde el amplificador, deberemos ubicar el punto Q en el centro de la lnea de carga.

La fig. 2.21 muestra las lneas de carga para el circuito de la fig. 2.19. Es asunto geomtrico ubicar el punto Q para la mxima amplitud.

La lnea dc , dibujada en la fig. 2.20, est dada por:

Vcc = vCE + ic Rdc (2.25)

Se escriben las ecuaciones de voltaje para el caso ac, donde los capacitores son reemplazados por cortocircuitos y las fuentes dc son igualadas a cero.

Se escribe la ecuacin lineal (ac) mediante el mtodo de la curva con pendiente, como sigue:

La interseccin de esta lnea ac con la lnea de carga dc genera el punto Q.

Ya que ic es mxima cuando vCE = 0, la corriente mxima de colector IC, est dada por:

Ok

Sin embargo, IC se iguala a 2ICQ para mxima amplitud a lo largo de la lnea de carga ac. Reemplazando esta restriccin en la ecuacin previa, se obtiene,

La ecuacin (2.27) tiene dos incgnitas para especificar la posicin del punto Q, para mximas variaciones de la salida.

Esto se resuelve usando la ecuac. de la recta de carga dc (2.25).

La ecuacin (2.27) se introduce en la ecuacin (2.25),

La ecuacin (2.28) especifica vCE en el punto Q.

ICQ se encuentra llevando la ecuacin (2.28) a (2.27):

Vcc es la interseccin de la lnea ac con el eje vCE, como se muestra en la fig. 2.21.

La pendiente de la recta de carga ac es:

si utilizamos la ecuacin (2.28) y luego la ecuacin (2.27)

Ya tenemos las herramientas necesarias para el anlisis y el diseo de circuitos amplificadores.

Anlisis de un amplificador: Los componentes del circuito ya estn dados.

Se comienza determinando la polarizacin dc.

Se deriva el circuito equivalente de Thevenin para el circuito de base-emisor. Esto proporciona los valores necesarios para resolver la ec. de polarizacin para ICQ.

A continuacin se trazan las lneas de carga dc y ac.

Si ICQ est en la regin de operacin, puede determinarse la variacin mxima de la seal en la salida, sin distorsin, examinado la lnea de carga ac.

Diseo de un amplificador: (caso inverso) ya que el diseador debe seleccionar los componentes del circuito, y tiene la opcin de seleccionar ICQ.

Si se desea una mxima amplitud del voltaje de salida, ICQ debe ubicarse en el centro de la lnea de carga ac.

Por otro lado, si la seal de entrada es pequea, ICQ puede hacerse lo suficientemente grande, de tal forma que la seal ac de salida, no sea recortada durante el mximo de la seal de entrada.

En el diseo, se debiera comenzar con los clculos en el circuito colector-emisor.

Despus de haber determinado ICQ, se usa la ecuacin de polarizacin para determinar R1 y R2, que permitan al transistor operar en el punto Q seleccionado.

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Procedimiento de anlisis

Paso 1:

Usar R1 y R2 para determinar VBB y RB a partir de las siguientes ecuaciones:

Paso 2:

Usar la ecuacin de polarizacin para calcular ICQ.

Paso 3:

Usar la ecuacin de la lnea de carga dc para determinar VCEQ.

Paso 4:

La lnea de carga dc se dibuja sobre las curvas caractersticas. Como se sabe que la lnea de carga ac intersecta a la lnea de carga dc en el punto Q, la lnea de carga ac se construye desde la ecuacin,

Paso 5:

La determinacin de la mxima variacin simtrica del voltaje de salida, requiere el uso de la lnea de carga ac sobre las curvas caractersticas.

Si el punto Q est sobre la mitad superior de la lnea ac de carga, ICQ se debe restar desde el valor mximo de iC (el punto donde la lnea ac intersecta al eje iC). Esto proporcionar la mxima amplitud de la corriente ac en la salida del transistor.

Alternativamente, si el punto Q est bajo la mitad de la recta de carga ac, con este ICQ se logra la mxima amplitud de la corriente ac a la salida del transistor.

Entonces el voltaje mximo p-p, simtrico de salida est dado por: 2iC (IcQ para mxima amplitud) x (Rc//RL).

Fig. 2.22 Circuito amplificador emisor-comn

Nota: falt escribir beta en la segunda lnea siguiente.

Hallamos Rac = RC//RL = 500 y Rdc = RC + RE = 1,1 k

VCEQ se encuentra, como se indic en el paso 3.

Entonces,

Ya que el punto Q est en la mitad inferior de la recta ac

de carga, la mxima amplitud simtrica del voltaje en la salida es,

Por la ubicacin del punto Q, la variacin del voltaje en la salida no es la mxima amplitud.

Procedimiento de diseo

Paso 1:

Para ubicar el punto Q en el centro de la lnea de carga, usar la siguiente ecuacin,

Paso 2:

Usar la lnea de carga ac para determinar VCEQ.

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Paso 3:

Si no existe otra restriccin, seleccionar RB para estabilidad de polarizacin.

Paso 4:

Usar la ecuacin de polarizacin para determinar VBB.

Paso 5:

Encontrar R1 y R2 desde RB y VBB.

Paso 6:

Determinar vo(p-p) (salida mxima peak-to-peak simtrica) como en el paso 5 del procedimiento de anlisis.

Ejemplo 2.4 Diseo Seleccionar R1 y R2 para mxima variacin del voltaje de salida en el circuito mostrado en la fig. 2.22.

Solucin:

Siguiendo los pasos del diseo, se determinar ICQ del circuito; pero antes calculamos: Rac = RC//RL = 500 , y Rdc = RE + RC = 100 + 1.000 = 1.100

Para mxima amplitud o variacin (swing) del voltaje,

VCC = 2VCEQ

VCEQ est dado por: VCEQ = ICQ x Rac = (3,13)(500 ) = 1,56 V

entonces, VCC = 2VcEQ = 2(1,56 V) = 3,12 V

El mximo alcance del voltaje de salida, ignorando las no linealidades y la saturacin, debera ser,

Fig. 2.23. Lneas de carga para el ejemplo 2.4

Para asegurarse que la mxima potencia disipada por el transistor, no exceder las especificaciones, se utiliza la ecuacin (2.22), ( PQ = ICQVCEQ ):

P(transistor) = (1,56 V)(3,13 mA) = 4,88 mW,

la cual no excede los 350 mW dados por el fabricante.

La mxima eficiencia de conversin es,

Tarea: Demostrar y comprobar el valor dado!!!!!

FIN SEGUNDA PARTE