Amplificadores Monoetapas con Transistores Bipolares: Seales Dbiles. El transistor bipolar est compuesto por 3 terminales, llamadas base, colector y emisor. Estos dispositivos son controlados por corriente. Existen 3 tipos de configuraciones de transistores bipolares con caractersticas particulares cada una de estas configuraciones. Mencionaremos las 3 configuraciones de un transistor bipolar:1- Emisor Comn.2- Base Comn.3- Colector Comn. La forma de distinguir las configuraciones es observando que alguna de estos 3 terminales tiene en comn la malla de entrada y malla de salida del transistor. Cuando analizamos de cada una de estas configuraciones tenemos en cuenta el anlisis esttico (corriente Continua) y su anlisis dinmico (Corriente Alterna), este anlisis se realiza a travs del principio de superposicin basado en seales dbiles. Supongamos que la excursin de seal es muy pequea, podemos considerar que la misma es de caractersticas lineales y por lo tanto podemos reemplazar al transistor por un circuito incremental o equivalente constituido por parmetros lineales. Circuito Equivalente de un transistor bipolar para seales dbiles: Observamos el siguiente circuito equivalente del transistor en seales dbiles. Iremos a detallar cada componente de este circuito. La salida del transistor podemos imaginarla como una fuente de corriente controlado por tensin o por corriente.

Donde Rb: Resistencia de extensin de base (vara entre 10 y 500). Rbe: Resistencia juntura base emisor. Ro: Resistencia de salida del transistor. Gm: Transconductancia del transistor, cuando V2 es un cortocircuito. La transconductancia aumenta en forma proporcional con la corriente del colector, del transistor que demostraremos ms adelante. Ic = Gm. VtSabemos que Vt=25mv, entonces podemos asumirla como condicin de diseo que: Ic= Gm. 25mv.Gm= 40 Icq. En el circuito equivalente anterior observamos que la generador de corriente est controlado por tensin, tambin podemos usar un generador de corriente controlado por corriente, observaremos en el siguiente circuito equivalente.

Para que ambos circuitos sean equivalentes debemos plantear la siguiente ecuacin. El Hfe es la ganancia del transistor cuando V2 es un corto circuito, este valor en caso de no obtenerlo por la hoja de datos del transistor podemos asumirlo como el hfe esttico del transistor . Gm. V= Hfe. Ib. V= Ib. Rbe (Al Rbe tambin se lo conoce como hie, cuando usamos parmetros H). Gm. Ib. Rbe = Hfe. Ib. Despejando nos queda la siguiente ecuacin. Rbe = Configuracin Emisor Comn:

Anlisis Esttico:En esta figura vemos un amplificador monoetapa de emisor comn para seales dbiles, este esta excitado mediante un generador de tensin. Primero procederemos a realizar el estudio esttico para obtener el punto Q de polarizacin.

Como vamos a realizar el estudio en continua se cortocircuito el generador (se anula la excitacin) y como la frecuencia es cero, entonces los capacitores se comportan como un circuito abierto, eso quiere decir que la reactancia capacitiva tiende a infinito. Xc= Entonces el circuito nos queda de la siguiente manera.

Observando este circuito podemos obtener el punto Q de polarizacin debemos obtener la corriente de colector y la tensin colector emisor. En primer lugar analizamos la malla de entrada del transistor, aplicando el principio de Thevenin podemos obtener los puntos de polarizacin. Podemos plantear al circuito de otra manera aplicando Thevenin.

Vth = Vcc. Rb=R1//R2. Aplicando el principio de Kirchoff, la cada de tensin de una malla es igual a cero.Vth Ib.Rb Vbe Icq. Re=0.Como Icq= Ib.HfeVth Icq. - Vbe Icq. Re=0. Si el hfe (ganancia esttica del transistor es muy grande podemos llegar a despreciar ese trmino y la ecuacin de entrada nos queda de la siguiente manera.Icq = Mediante esta ecuacin sacamos las siguientes conclusiones, en primer lugar la corriente del colector depende del valor de la resistencia del emisor (tambin podemos verla como un generador de corriente). En caso que Re sea grande la corriente del colector seria una pequea y demostraremos ms adelante que disminuye la ganancia de tensin del transistor.

Ahora analizaremos la malla de salida del transistor.

Vcc Icq.Rc Vceq Icq. Re = 0 Vceq = Vcc Icq (Rc+Re). Anlisis Dinmico: Se aplica una alimentacin alterna al transistor, las reactancias capacitivas se comportan como un cortocircuito (Xc tendera a cero), anulndose las fuentes de alimentacin de corriente continua. Veremos el circuito equivalente a continuacin.

Desarrollaremos un poco ms en detalle al transistor.

DondeRi: Resistencia de entrada del transistor.Ria: Resistencia de entrada de la etapa amplificadora.Ris: Resistencia de entrada del sistema.Por otro lado Ria es igual al paralelo de la resistencia Rb con la Ri o hie.Ria= Rb//hie.Lo cual Ria sera prcticamente igual a hie, debido que Rb hie, entonces Ria hie.

Ro: Resistencia de salida del transistor.Ro= 1/hoe. El hoe es la conductancia de salida del transistor.Roa: Resistencia de salida del amplificador. La roa es el paralelo entre la resistencia de salida Ro con Rd, la Rd llamada resistencia dinmica es el paralelo entre Rc//Rl. Como Ro es muchsima ms grande que la resistencia, entonces podemos adoptar que Roa es prcticamente Rd.Ros: Resistencia de salida del sistema. Ahora colocamos en la salida del transistor una resistencia de carga, el circuito equivalente sera similar al anterior, con esto analizaremos las caractersticas de esta monoetapa del transistor. En primer lugar calcularemos la ganancia de corriente del amplificador. AI= Io= Ic AI = hfe. En segundo lugar calcularemos la ganancia de corriente del sistema. Ais =

Ais =

Ais = Ai.

En tercer lugar calcularemos la ganancia de tensin.

La Rd es el paralelo entre la resistencia del colector (Rc) y la resistencia de carga (Rl). Vo= - gm. V. RdAv= Vo/VAv= - gm. Rd En cuarto lugar calcularemos la ganancia de tensin del sistema. Avs = Vo/Vs. Avs = Avs = Av. Emisor Comn excitado con fuente de corriente: Su anlisis esttico es similar a la configuracin emisor excitado como un generador de tensin, lo nico que vara es en anlisis dinmico. En el anlisis dinmico la etapa de salida es similar al anterior estudio, lo que varia es la resistencia entrada del circuito. Analizaremos el siguiente circuito

Mostraremos el siguiente circuito equivalente.

Sabemos que Ris = Rs//Ria. La configuracin de Emisor comn presenta altas ganancias de tensin y corriente y por consiguiente alta ganancia de potencia. Su resistencia de entrada posee un valor medio de 2K. La seal de salida esta invertida respecto de la seal de entrada.

Configuracin Base Comn: Analizaremos a continuacin el comportamiento esttico y dinmico de un transistor cuya configuracin es Base Comn (BC). Se caracteriza por tener baja impedancia de entrada , no presenta ganancia de corriente pero si de tensin y sobre todo tiene grandes aplicaciones en circuito de alta frecuencia. Ilustraremos el siguiente circuito.

Realicemos el estudio del circuito en corriente continua, entonces el circuito nos queda de la siguiente manera.

Aplicando el principio de Thevenin podemos aun simplificar el circuito analizado.

Vbb= Vcc. Rb= R1//R2. Para obtener la corriente del colector (Icq) y la tensin colector emisor (Vceq), debemos analizar la malla entrada y salida del transistor, similar a la configuracin de emisor comn.

Anlisis Dinmico: En el siguiente grafico mostraremos el circuito del transistor asumiendo que las reactancias capacitivas son un cortocircuito y las fuentes de alimentacin de corriente continua se anulan y luego observaremos el circuito equivalente, para realizar un estudio ms detallado del mismo.

Circuito equivalente de la configuracin Base Comn.

Planteamos esta ecuacin debido a que est alimentando junto a un generador de tensin, como sucedi en la configuracin emisor comn, entonces la configuracin para la base comn nos queda de la siguiente manera. V1= V + V.Ie = (1+ hfe). Ib.V1= Rbe.Ib + Rb.IbDespejando las 2 ltimas ecuaciones nos queda la siguiente frmula:V1 = Ie. Hib = Ahora realizamos el mismo circuito equivalente reemplazando el generador de tensin gm. V por un generador de corriente.

Comparando los 2 ltimos circuitos equivalentes obtendremos las siguientes relaciones.-gm. V = hfb. Ie Sabemos que V = Ie. -gm. Ie . Como hfe=gm.rbeHfb= Hob= hoe/ 1+hfeRo = 1/hob

Ri=hib = Ria = Re//RiRoa= Ro//RcRos= Roa//RlGanancia de Corriente del transistor base comn.Ai=Io/Ie

Ic = -hfb.IeIo = - hfb.Ie.

Ai = -hfb. Ganancia de tensin del transistor.Rd = RC//Rl.Hib = 1/gm.VO= gm.V.RdAv = Vo/V = gm.Rd.Ganancia de corriente del sistema.Ais = Io/I.Ais = Ganancia de tensin del sistema.Avs = Vo/Vs.Avs =

Base Comn excitada con un generador de Corriente:

Ris = Rs//Ria. Ria = Re//Ri.Con respecto a las ganancias de tensin no se produce ningn, salvo las ganancias de corriente del sistema.

Ais = Io/Is.Ais = Las conclusiones que podemos obtener son las siguientes:1- La impedancia de entrada es baja.2- La impedancia de salida es media similar a la configuracin emisor comn.3- No posee ganancia de corriente.4- La ganancia de tensin es alta como la configuracin emisor comn.5- Tiene muchas aplicaciones prcticas en sistemas de alta frecuencia funcionando como un sistema de blindaje (asla una etapa con la otra).

Configuracin Colector Comn:Analizaremos dos formas de construir un colector comn, enunciaremos las ventajas y desventajas de ambos dispositivos. Circuito 1:

Circuito 2:

El circuito numero 1 podemos asegurar que posee una mayor impedancia de entrada que el circuito numero 2, pero el punto q de polarizacin varia debido al embalamiento trmico que sufre la Rb. En cambio el circuito 2 su impedancia de entrada es menor con respecto al circuito 1 pero su punto de polarizacin es ms estable, debido al resultado del paralelo entre R1 y R2. El comportamiento esttico es similar a las anteriores configuraciones (Icq y Vceq se plantea las mallas de entrada y salida). Ambos circuitos comporten el mismo comportamiento dinmico, a continuacin haremos dicho anlisis.

Anlisis Dinmico:

Planteamos el circuito equivalente.

El colector comn e o conoce como circuito seguidor, no posee ganancia de tensin debido a que sus formas de ondas estn en fase, tanto Vs como Vo. Sabemos que I, I e Ib son del orden del micro ampere (a), mientras que la corriente que circula por la resistencia dinmico se encuentra en el orden mili ampere, circulando la corriente Ie. La tensin de salida es Vo = Rd.Ie =Rd. (1+hfe).Ib Entonces podemos plantear el circuito en funcin de la corriente de base, manteniendo inalterado la tensin de salida Vo. La resistencia de entrada del transistor nos queda de la siguiente manera: RI = hie + Rd (1+hfe). Ria = Rb//Ri. Ris = Rs + Ria. Ganancia de Tensin:Av = Vo/V1.Av = 1.

Ganancia de Tensin del sistema:Avs = Vo/Vs.Avs =

Para hallar la ganancia de corriente se puede desdoblar Rd. AI = Io/Ib.Io = Ie . Ie = (1+hfe).IbIo = (1+hfe) . Ganancia de corriente del sistema.Ais = Io/IAis =

En la siguiente figura calculamos la resistencia de salida del Colector Comn.

Roa = Ro//Re.Ros = Roa//Rl.Planteamos el circuito en funcin de la corriente de base.

Para obtener la resistencia de salida Ro, debemos tener en cuenta el circuito anterior, entonces el circuito nos queda.Multiplicamos I, I e Ib por (1+hfe).Dividimos Rs, Rb, hie y Rd (1+hfe) por (1+hfe).

Desdoblamos la resistencia dinmica y nos queda el siguiente circuito.

Ro = hib + (Rb/hfe // Rs/hfe) = hib + r/hfeDonde r = Rb//Rs Sacamos la siguiente conclusin la impedancia de salida es pequea, no posee ganancia de tensin pero si de corriente. Se caracteriza por tener una impedancia elevada en la entrada. Colector comn con excitacin de corriente:

Ais = Ais = Ai . Ris = R//Ri.R = Rs//Rb.

Circuito bootstrap: Como se ha visto, la Resistencia de entrada del amplificador con configuracin colector comn (Ria) est limitado por Rb. Si se desea un valor elevado de Ria, Rb deber ser alta, lo cual atenta con respecto a la estabilidad del punto Q. Para obtener ambas cosas, es decir, Ria elevada y buena estabilidad del punto q recurrimos al circuito que demostraremos a continuacin.

Anlisis Esttico:

Vth = Vcc.Rb = R1// R2.Icq = Vceq = Vcc Icq. Re

Anlisis Dinmico:Rd= Re//Rl.Rb = R1//R2.Llamamos Rb= Rb//Rd.

Planteamos el circuito equivalente.

Ib = I. Hfe. Ib = hfe. = I. Podemos definir como hfe=hfe. Ib/IHfe=hfe. Hie= hie//R3. Ria = hie+ Rd.hfeRia = (hie//R3) + (Rb//Rd).hfe.Ri = hie + Rd.hfe.

Configuracin Re sin puentear:Analizaremos la siguiente configuracin.

Analisis Dinamico:

Donde Rb =R1//R2.El circuito equivalente de un Re sin puentear es el siguiente.

A continuacin subdividimos el generador controlado en dos generadores, como se observa en el siguiente figura.

Se ha aislado asi el circuito original en dos partes: una de entrada y la otra de salida. La primera se identifica con un colector comn y la segunda se asemeja a la malla de salida de un emisor comn. Ri = hie+ Re (1+hfe) Ria = Rb//Ri. Ris = Ria + Rs.

Ro= . Roa= Rc Ros = Rc//Rl = Rd Ganancia de tension del amplificador. Av= Vo/V1. VO = -hfe.Ib.Rd.V1 = Ib.Ri. Av = -hfe. Como hfe=gm.rbe Av = -gm.Rd.Rbe/Ri. Av = -gm.Rd.Hie/Ri. Ganancia de tensin del sistema. Avs =

Ganancia de corriente del transistor. Ai= Io/Ib. Io = Ic . Ai = hfe.

Ganancia de corriente del sistema. Ais =