CAP III -Transistores BJT

CAPITULO III ANALISIS DE LOS AMPLIFICADORES BJT EN PEQUIÑA SEÑAL 3.1 El transistor BJT 3.2 Caracte Caracterís rístic ticas.as.- CBC, CEC CEC y CCC 3.3 Amplificadores de señal BJT 3.4 Modelamiento circuito del transistor BJT 3.4.1 modelo  3.4.2 Modelo con parámetros parámetros híbridos h 3.4.3 Equivalencia entre modelos

3.5 Amplificadores BJT en pequeña señal con modelo  3.5.1 CEC con polarización fija 3.5.2 CEC con divisor de tensión 3.5.3 Seguidor de emisor 3.5.4 Circuito CBC 3.6 Amplificadores BJT en pequeña señal con modelo hibrido h 3.6.1 CEC Con polarización fija 3.6.2 Circuito CBC 3.6.3 Modelo hibrido exacto exacto

3.1 EL TRANSISTOR BJT 3.1.1 Concepto.Concepto.- El transistor es un dispositivo semiconductor semiconductor de de tres capas que consta de dos capas de material tipo n y una de material tipo p o de dos material tipo p y una de material tipo n, el primero se llama transistor transistor npn y el segundo transistor transistor pnp pnp , ambos se muestra muestra en la figura figura 1, las terminales se identificaron por medio de la letras mayúsculas E para emisor, C para colector y B para base.

a b Figura 1 .- Dos tipos de BJT y sus símbolo símbolo de circuitos circuitos a) npn, b) pnp.

3.1.2 OPERACIÓN DEL TRANSISTOR.La fuente de tensión  polariza directament directamentee la unión pn base-emisor base-emisor,, lo que da lugar a que el emisor inyecte electrones en el material tipo p de la base.  La mayoría de los electrones atraviesan la estrecha región de base, cruzan la segunda unión y llegar a la región n polarizada positivamente (zona de la derecha) que constituye el colector.  Los huecos de la base van hacia el emisor.  Mientras que la unión base-emisor representa un diodo directamente polarizado, con sus propiedades propied ades características características de baja impedancia y baja caída de tensión, la unión de colectorbase esta inversamente polarizada debido al signo de la tensión  .  Esta unión constituye en esencia un diodo inversamente polarizado y la impedancia entre colector y base es muy 

 Para el transistor npn, sus corrientes y tensión se especifican en la figura 2.

figura 2.a figura 2.b  La aplicación de la LCK a la figura 3.a  =  +  ………………………………………….ec (3.1) Donde  ,  y  son las corriente de emisor, base y colector respectivamente.  Ahora de manera similar, aplicamos de la LTK de la figura 3.b      = 0 ………………………………..ec (3 (3.2 .2)) Donde  ,  y  son las voltajes de colector-emisor, emisor-base y base-colector.

.

.-

,

3.2.1 CONFIGURACIÓN EN BASE COMÚN.- par paraa describir describir plenamen plenamente te el comportamiento de un dispositivo de tres terminales como el de los amplificadores en base común de la figura 3.3, se requieren dos conjuntos de características, caracterís ticas, uno para los parámetr parámetros os de entrad e ntrad (punto de manejo) y el e l otro para el lado de salida. El conjunto de entrada para el amplificador en base común de la figura 3.4 relaciona una corriente de entrada entrada  con un voltaje de entrada  para varios niveles de voltaje de salida  .

Características de entrada para un amplificador de transist Características transistor or de silicio s ilicio en configuración en base común

Figura 3.4

El conjunto de salida relaciona una corriente de entrada 

con un voltaje de salida  para varios niveles de corriente de entrada  , como muestra en la figura 3.2.c.  La salida o conjunto de características del colector ofrece tres regiones básica de interés, como se indica en la figura 3.5, las regiones activa, de corte y saturación.  La primera es la región que normalmente se emplea para amplificadores lineales (sin distorsión). En particular.  En la región activa la unión base-emisor se polariza en directa, en tanto que la unión colectorbase se polariza en inversa.

Figura 3.5

Alfa( ) y Beta( )  El BJT puede operar en uno de los tres modos: activo, de corte y saturación.

cuando los transistores operar en el modo ACTIVO ACTIVO,, por lo común  = 0.7V  =  ……………………………. ec (3 (3.3 .3))  Donde  se conoce como la ganancia de corriente de base común.   denota la fracción de electrones inyectada por el emisor que colecta el colector, además. ……………………………………. ec (3. (3.4) 4)  =   Donde  se conoce como la ganancia de corriente de emisor común.  La  y la  son propiedades características de un transistor determinado y toman valores constantes para ese transistor.  Alfa va de 0.90 a 0.999 y beta va de 50 a mas 500  De acuerdo con las ecuaciones de la (3.1) (3 .1) a la (3.4), es evidente que (3.5 .5))  = (1  ) …………………………………………. ec (3 

=

 −

…………………………………………… ec (3 (3.6 .6))

3.2.2 CONFIGURACION EN EMISOR COMUN. COMUN. – La configuración de transistor que mas frecuentement frecuentementee se encuentra encuentra aparece en la figura 3.6 para los transistores transistores pnp y npn. Se llama configuración en emisor común porque el emisor es común o sirve de referencia para la terminales de entrada y salida ( en este caso es común para las terminales base y colector).

Figura 3.6

De nueva cuenta se requieren requieren dos conjuntos de características características para describir plenamiente plenamiente el comportamiento del la configuración en emisor común: uno para el circuito de entrada o de base-emisor y uno para el circuito de salida o de colector-emisor. Ambos se encuentran en la figura 3.7 y figura 3.8.

Figura 3.8

3.2.3 CONFIGURACIÓN EN COLECT COLECTOR OR COMÚN.COMÚN.- La tercera tercera y ultima ultima configur configuración ación del transistor es la configuración en colector común, mostrada en la figura 3.9 con las direcciones de la corriente y notación de voltaje correctas. La configur configuración ación en colector común se utiliza sobre todo para igualar impedancias, puesto que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, lo contrario de las configuraciones en base común y en emisor común.

3.3 AMP 3.3 AMPLI LIFI FICA CADO DORE RESS DE DE SE SE AL BJ BJTT CONCEPTO..- Ahora comenzar comenzaremos emos a examinar la respuesta de ca del amplificador 3.3.1 CONCEPTO

con BJT revisando los modelos de uso mas frecuente para representar representar el transistor en el dominio domini o de ca senoid senoidal. al. Existen tres tres modelos de uso muy común en el análisis de ca de señal pequeña de redes de transistores: el modelo  , el modelo  hibrido y el modelo equivalente eq uivalente hibrido. Este capitulo se ocupa de los tres pero hace hincapié en el modelo  . 3.3.2 MODELO DE UN TRANSISTO TRANSISTOR R BJT DE CIRCUITO CIRCUITO equivalente de ca tendrá en el análisis que sigue, el circuito de la figura figura 3.10. Circuito equivalente nos interesa la respuesta respuesta de ca ca del circuito, circuito, todas las las fuentes de cd pueden  Como solo nos ser reemplazadas por cortocircuito cortocircuito porque determinan solo el nivel de cd del voltaje de salida y no la magnitud de la excursión de la salida de ca. claramente en la figura 3.11. los niveles de cd simplemente fueron  Esto se demuestra claramente importantes para determinar el punto Q de operación correcta. Una vez determinados, podemos ignorar los niveles de cd en el análisis dela red. capacitores es de acoplamiento  , 2 y el capacitor de puenteo 3 se  Además, los capacitor seleccionaron para que tuvieran una reactancia muy pequeña en la frecuencia de aplicación. Por consiguiente, también, reemplazos como cortocircuito.

figura 3.10

Figura.3.11

3.3.3 PARAMTROS Es importante que confirme avance a través de las modificaciones de la red, defina el

equivalente de ca para que los parámetro equivalente parámetro de interés interés como  ,  ,  e  , definidos por la figura 3.12 se manejen correctamente.

 Es

decir, la corriente de entradas decir, entradas  y la salida  , se definen como de entrada de sistema.

que  es la impedancia viendo hacia adentro del sistema, en tanto que  es la impedancia viendo de vuelta hacia adentro del sistema por el lado de salida.  Para cada caso:   =  …......... ec (3.6)   (3.7 .7))  =  ….......... ec (3   Observe

como sabemos que el transistor es un dispositivo amplificador, podríamos esperar una indicación de como se relaciona el voltaje de salida  con el voltaje de entrada  .  observe en la figura 3.13 para esta configuración que la ganancia de corriente se define como:    =  ……………………………………… ec (3 (3.7 .7)) 



En suma, por consiguiente, consiguiente, el equivalente equivalente de ca de un red se obtiene obtiene como sigue: 1. Pon Poniend iendo o en cero cero todos todos las fuent fuentes es cd y reemp reemplaz lazando andolas las por un equi equivale valente nte de de cortocircuito. 2. Ree Reempla mplazan zando do todos todos los capacitor capacitores es por un equivale equivalente nte de cortoci cortocircu rcuito. ito. 3. Quitando todos los los elementos elementos evitados evitados por por los equivalen equivalentes tes de cortocir cortocircuito cuito introd introducidos ucidos por por los pasos 1 y 2. 4. Vo Volvien lviendo do a dibujar dibujar la red red en una una forma forma mas mas conven convenien iente te y lógica. lógica. En las secciones siguientes se presentara un modelo equivalentes de transistor para completar el análisis de ca de la red red de la figura figura 3.13 3.13

Figura 3.13

3.4 MODELAMIENTO CIRCUITO DEL TRANSISTOR BJT 3.4.1 MODELO  .-a continuación se presentara el modelo  , para las configura configuración ciónes es del

transistor BJT en emisor común, en base común y en colector común con un breve descripción de por que cada una es una buena aproximación del comportamiento real de un transistor BJT.

3.4.1.1 CONFIGURACIÓN EN EMISOR COMÚN.COMÚN. el circuito equivalente para la configuración en emisor común se construir construiráá por medio de las caract características erísticas del dispositivo y varias aproximaciones.

 comenzamos con el lado de entrada, vemos que el voltaje aplicado  es igual al voltaje 

con la corriente de entrada como la corriente de base  como se muestra en la figura 3.14.

Figura 3.14 si volvemos a dibujar las características del colector para tener una  constante como se muestra en la figura 3.15 ( otro aproximación).  como ahora están todos los parámetros de entrada y salida de la configuración original, en la figura 3.16 ha quedado establecida la red equivalente para la configuración en emisor común.

figura 3.15

Figura 3.16



se puede mejorar reemplazando primero el diodo por su resistencia equivalente determinada por el nivel de  como se muestra en la figura 3.17. recuerde de la resistencia dinámica  26 donde:  =  (3.8 .8)) ………………………………….. Ec (3 



al utilizar el subíndice e por que la corriente determinante es la corriente de emisor obtendremos. 26 (3.9 .9)) ……………………………………… ec (3  = 

ahora , para el lado de entrada:    =   =  …………………………… ec (3. (3.10) 10) 



Resolviendo para  :  =  ×  = (   )  = (β   )   = (  1)   ……………………………………….. Ec (3 (3.1 .11) 1) Ec (3.11 (3.11)) reemplaz reemplazando ando al ec (3.10 (3.10)) se tiene: tiene: 

(+ 1)  

  = (  1)   =  =    ≅  …………………………………………. Ec (3 (3.1 .12) 2)

 la corriente de salida del colector sigue estado vinculada a la corriente de entrada por beta

como se muestra en la figura 3.18

Figura 3.18 Circuito equivalente mejorado de un BJT

de la figura 3.19. la pendiente de cada curva definiera una resistencia en ese punto como sigue: ∆

∆



Pendiente = ∆ = ∆  =     donde:

 =

∆ ………………………………………………………………. ∆

Ec (3 (3.1 .13) 3)

Cuanto mas cambie  por la mismo cambio de  , mayor será la resistencia de salida en esa región. El resultado es que la resistencia 2 excede por mucho a la resistencia  . Utilizando un valor promedio de la resistencia de salida se agregara el otro componente al circuito equivalente tal como aparece en la figura 3.20

figura 3.20, Modelo 

3.4.1.2 CONFIGURACIÓN EN BASE COMUN El circuito equivalente de base común se desarrollara casi del mismo modo en que se aplico a la configuración en emisor común, son la siguiente figuras.

3.4.1.3 CONFIGURACIÓN EN COLECTO COLECTOR R COMUN. Para la configuración en colector común, normalmente se aplica el modelo definido para la configuración de emisor común de la figura 3.20 en lugar de definir uno para ella. En capítulos subsiguientes investigación varios configuración en colector común y el efecto de utilizar el mismo modelo será patente.

3.5 AMPLIFICADORES BJT EN PEQUEÑA SEÑAL CON MODELO  . 3.5.1 CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN FIJA EN EMISOR COMÚN. ahora, para realizar el análisis de señal pequeña de varias configuraciones de red de transistores estándar, utilizaremos los modelos de transistor que acabamos de presentar.  la primera configuración que se analizara en detalle es la red de polarización fija en emisor común de la figura 3.21. eliminando los efectos efectos de cd de  y  el análisis de ca de señal pequeña se inicia eliminando reemplazando los capacitores de bloqueo   2 equivalentes de cortocircuitos y el resultado es la red de la figura 3.22. fuente de cd y emisor del transistor permite reubicar reubicar  figura 3.22 que la tierra común de la fuente  y  en paralelo con las secciones de entradas y salidas del transistor respectivamente.

Figura 3.21 Configuración de polarización fija en emisor común

figura 3.22 red de la figura 3.21 después de la eliminación de los efectos de  ,  y 2 .

 además, observe la colocación de los parámetros importantes

 ,  ,  y  . En la red que se

volverá dibuja, sustituyendo el modelo  , CEC de la figura 3.23.

figura 3.23 Impedancia  se hallar y unidad [ohm], vista de tensión de entrada.  =  // …………………………. Ec (3 (3.1 .14) 4)

Impedancia  visto de tensión de salida:  =  // ………………….. Ec (3 (3.1 .15) 5) ganancia de tensión  

(3.1 .16) 6)   =  ……………………………. Ec (3 

Nota: El signo negativo negativo de  rev revela ela un desfasamien desfasamiento to de 180° entr entree  y 

3.5.2 POLARIZACIÓN POR MEDIO DEL DIVISOR DE VOLT VOLTAJE.3.5.2.1 CON CONDENSADO EN EMISOR Analizaremos es la red polarizaci polarización ón por medio del divisor de voltaje de la figura 3.24

figura 3.24 configuración de polarizaci polarización ón por medio del divisor de voltaje voltaje

Sustitución del circuito equivalente  en la red equiv equivalent alentee de ca .

R’ =  //2 ……….. Ec (3 (3.1 .17) 7) (3.1 .18) 8)  = R’// …………. Ec (3

 =  // ………….. Ec (3 (3.1 .19) 9) 

(3.2 .20) 0)   =  ………………… ec (3 

3.5.2.2 SIN CONDENSADO EN EMISOR Configuración de polarización de emisor común

Sustitución de l circuito equivalente  en la red red equivalente equivalente de ca . LTK:

 =      donde:  = ( 1) Reemplazado:  =    ( 1)  Y la  de entrada viendo hacían la red a la derecha de  es   + ( +)   = =  

 =   (  1)  …….. Ec (3 (3.2 .21) 1)

donde la impedancia de entrada es:  =  // …………………………………………………. Ec (3 (3.2 .22) 2) impedancia de salida es: (3.2 .23) 3)  =  …………………………………………………………. Ec (3 ganancia de voltaje es:    = 

 donde  = 

 =   =     = ( )  

   = 

=

−(  ) 



 ………………………………………… ec (3 = (3.2 .24) 4) 

3.5.3 CONFIGURACIÓN EN EMISOR SEGUIDOR.el voltaje de salida siempre es un poco menor que la señal de entradas debido a la caída de la base al a l emisor emiso r. Es decir decir,,  y  alcanzan sus valores pico positivos y negativos al mismo tiempo. Como se muestra en la figura

configuración en emisor seguidor

sustitución sustitució n del circuito equivalente  en la red equivalente equivalent e de ca de la figura figura

donde:

 =  // ……………………………………. Ec (3 (3.2 .25) 5)  =  + ( + 1)

para hallar la  mejor escribiendo primero la ecuación para la corrient corrientee  .    =  donde  = ( + 1) = ( + 1)    ( + 1)   =  + ( + 1) =     [ ] + ( + 1) ≅



  ≅ + 

 =  + 





+1

= 

…………………………………………. Ec (3 (3.2 .26) 6)

 =  // 

………………………………… ec (3 (3.2 .27) 7)

3.5.4 CONFIGURACION EN BASE COMUN.la configuraciones base común se caracteriza por tener una impedancia de entrada baja e impedancia de salida y un ganancia de corriente menor de 1. la ganancia de voltaje, sin embargo, puede ser bastante grande, como se muestra e figura y también con el modelo equivalente como ser muestras en figura.

ustitución del circuito equivalente  en la red equivalen equivalente te de ca de la figura figura

donde:  =  // ……………….. ec(3.28) (3.2 .29) 9)  =  …………………….. Ec (3    =  donde:  = -   = -(- )  



 =   = (  )     = (  )



  =  = 

  (   )    





=

 (3.3 .30) 0) …………… ec (3 

  suponiendo que   ≫  resulta:  =   = -α = -α  −   = = = -α ………………………….. Ec(3.31)  

3.6 AMPLIFICADORES BJT EN PEQUEÑA SEÑAL CON MODELO HIBRIDO h

parámetros de hibrido BJT parámetros donde:  = ℎ  + ℎ2   = ℎ2  + ℎ22   ℎ=  

ℎ2=

 

|

 = 0 : impedancia de entrada, con salida en C.C

|

ganancia de tensión inversa, entrada en C.A  = 0 : ganancia

  = 0   ℎ22 = =0  

ℎ2 =  |

|

: ganancia ganancia directa de corriente, salida en C.C : admitancia admitancia de salida, entrada entrada en C.A

la selección de las letras es obvia de acuerdo con la lista siguiente:

ℎ → resistencia de entrada → ℎ inversa → ℎ ℎ2 → relación de voltaje de transferencia inversa t ransferencia directa → ℎ ℎ2 → relación de corriente de transferencia ℎ22 → conductancia de salida → ℎ

circuito equivalente equivalente hibrido completa 

3.6.1 CONFIGURACION DE POLARIZACION FIJA.para la configuración configuración de polarización fija de la figura, la red equivalente equivalente de c.a de señal pequeña aparecerá como se muestra en la figura. Utilizando el modelo hibrido equivalente aproximado de emisor común

Sustitución del circuito equivalente hibrido aproximado en la red equivalente de ca de la figura

Impedancia vista de entrada

(3.3 .32) 2)  =  //ℎ ………………… ec (3

Impedancia vista de salida  =  // ……………. Ec (3 (3.3 .33) 3) Ganancia de tensión   obtenemos :  = - R’ = - R’ = -ℎ   R’  R’=// y  =    = -ℎ  R’     (// ) ………….. Ec (3   =  = (3.3 .34) 4)   

donde:

  suponiendo que  ≫ ℎ y  ≥ 10 vemos que  ≅  e  =  = ℎ  = ℎ 

Y por lo tanto

  =

 = ℎ ……………………………….. Ec (3 (3.3 .35) 5) 

3.6.2 CONFIGURACION DEL DIVISOR DE VOLTAJE.para la configuración configuración de polarización por medio del divisor de voltaje de la figura, la red equivalente equivalente de ca de señal pequeña tendrá la misma apariencia que en la figura, con  reemplazada por R’ =  //2 .

 de la figura con  = R’.  =  //ℎ  de la figura  ≅    ganancia de tensión    =  

=-

   ( //)

  ganancia de corriente  ´

  = ´+





3.6.3 CONFIGURACION EN BASE COMUN.-

Sustitucion Susti tucion del circuito circuito equivalent equivalentee hibrido en la red equivalent equivalentee de ca de la figura figura

Tenemos los siguientes resultados a partir de la figura impedancia vista de tensión de entrada  =  //ℎ impedancia vista de tensión de salida  =  ganancia de tensión   = -  = - (ℎ  )   =  y 

  = -ℎ       =  

   =

ganancia de corriente  

  =  = ℎ 

3.6.4 MODELO EQUIV EQUIVALENTE ALENTE HIBRIDO COMPLETO COMPLETO..-

Sustitución del circuito circuito equivalente equivalente hibrido en la bipuerto de la figura figura

ganancia de corriente,  =  donde  =  Aplicar la ley de corriente de Kirchhoff al circuito de salida obtenemos 

 

 = ℎ  + I = ℎ  +   = ℎ  +  ℎ sustituyendo  = -  resulta  = ℎ  - ℎ   Reescribiendo la ecuación anterior, anterior, tenemos  + ℎ   = ℎ 

 =

 1+  

   =  

=



1+ 

………………. Ec (3 (3.3 .36) 6)



ganancia de voltaje   =  / al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff al circuito de entrada

 =  ℎ + ℎ  Sustituyendo  =(1+ ℎ  )  /ℎ de la ecuación e  = -  / resulta

−(+   )  = + ℎ    Resolviendo para la relación  / resulta

   = 

=

−    +(  −   )

 Impedancia de entrada

 =  /

para el circuito de entrada,  = ℎ  + ℎ  sustituyendo  = -   tenemos  = ℎ  - ℎ     =  / entonces  =    porque De modo que la ecuación anterior se escribe  = ℎ  - ℎ    Resolviendo para la relación  / , obtenemos     = =  1+    Resulta      = = ℎ  1+  

 impedancia de salida

 =  /

la impedancia de salida de un amplificador se define como la relación del voltaje de salida a la corriente de salida con la señal se ñal  ajustada a cero para el circuito de entrada con  = 0,  

 = -  + 



Sustituyendo esta relación en la ecuación del circuito de salida resulta  = ℎ  + ℎ       = + 

    −[  /( +  )]

 =  =  

+ ℎ 