Amplificador con BJT Análisis de pequeña señal 2015-1 Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ 12- 14 26-05-2015

Introducción El análisis de pequeña señal de amplificadores basados en transistores se centra en el análisis de circuitos equivalentes para cada configuración de amplificación (EC, CC, BC). Se utiliza el método de circuitos equivalente basado en parámetros híbridos obtenidos del análisis circuital basado en redes de dos puertos. Se pretende encontrar expresiones para la resistencia de entrada, ganancia de voltaje, ganancia de corriente y resistencia de salida de cada configuración de amplificación (EC, CC, BC). * Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Análisis de Redes de dos Puertos Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Análisis de Redes de dos Puertos (2) Ganancia de voltaje * Ganancia de corriente Fórmula de Ganancia de Impedancia *

Parámetros híbridos Existen muchas formas de caracterizar redes de cuatro terminales. En un sistema de cuatro terminales hay cuatro variables de circuito: la tensión (o voltaje) y la corriente de entrada; y la tensión y la corriente de salida. Estas cuatro variables se pueden relacionar por medio de algunas ecuaciones, dependiendo de cuáles variables se consideren independientes y cuáles dependientes. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Ecuaciones de parámetros híbridos (parámetros h) * El primer dígito del subíndice en h denota la variable dependiente, en tanto que el segundo digito denota la variable independiente asociada con el parámetro h en particular. Por ejemplo, h12 relaciona v2 con v1. Se supone que los valores de h son constantes. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Parámetros h para una red de transistores hi=h11= Resistencia de entrada del transistor. hr=h12= Ganancia de tensión inversa del transistor. hf=h21= Ganancia directa de corriente del transistor. ho=h22= Conductancia de salida del transistor. Para una red de transistores:

Parámetros h para una red de transistores (2) * Dos ecuaciones que representados circuitalmente corresponden al siguiente sistema: *

Parámetros h para una red de transistores (3) Resistencia de entrada con v2 en cortocircuito. Ganancia directa de corriente con v2 en cortocircuito. Ganancia inversa de tensión con i1 en circuito abierto. Conductancia de salida con i1 en circuito abierto.

Parámetros h para una red de transistores (4) Estos parámetros son idealmente constantes, aunque los valores numéricos dependen de la configuración del transistor. Esto es, si la configuración es EC, BC ó CC. Es útil contar con alguna forma de distinguir entre las tres configuraciones. Para ello se añade un segundo subíndice a cada parámetro híbrido para proporcionar esta distinción. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Parámetros h para un amplificador con resistencia de emisor

Configuración EC Configuración BC *

Parámetros h: Observaciones El valor real de β también es función del punto de operación (ICQ) del transistor. En la porción plana de la curva de iC contra vCE con iB constante, el cambio de β es pequeño. Conforme el transistor se aproxima a saturación, β empieza a caer. A medida que el transistor se aproxima a corte, β también se aproxima a cero. Aunque el modelo de parámetros h define el segundo subíndice en asociación con el tipo de configuración del amplificador, hib y hie son valores de resistencia que se basan en el punto de operación del amplificador y en la ubicación de estas resistencias en el circuito equivalente. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Resistencia de entrada en corto circuito A continuación se desarrollan las ecuaciones de hib y hie que muestran la dependencia de estos parámetros respecto a la ubicación del punto de operación Q: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Resistencia de entrada en corto circuito (2) En región directa de conducción del diodo de la unión Base-Emisor.

Resistencia de entrada en corto circuito (3) Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Resistencia de entrada en corto circuito (4) * Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Resistencia de entrada en corto circuito (5) Con: y: Para VT=26mV *

Modelo hibrido π del BJT El circuito equivalente de la unión base-emisor polarizada directamente, para efectos solamente de la componente alterna de pequeña señal, es una resistencia rπ: La cual es la resistencia dinámica del diodo Base-emisor, siendo fuertemente dependiente del punto de operación, esto es, de la corriente de base DC. Por otro lado: El circuito equivalente de la unión colector-emisor polarizada inversamente y para efectos de la componente variable de la corriente en el colector, es una fuente dependiente de la corriente variable en la base. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Modelo hibrido π del BJT(…Cont) Es decir, siempre que se cumpla que la excursión del Punto de Operación es lo suficientemente pequeña como para considerar que rπ permanece constante, el modelo incremental de alterna para el transistor bipolar ideal, ya sea npn o pnp será: Modelo ideal, sin considerar efectos secundarios. Dicho modelo considera que el transistor está previamente polarizado en un punto de operación dentro de la Región Activa.

Modelo hibrido π de segundo orden del BJT Modelo hibrido π de primer orden Modelo hibrido π de segundo orden Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Evaluación de parámetros de amplificación para la configuración EC Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Circuito de parámetros híbridos para el amplificador EC

Resistencia de entrada, Ren Forma larga

Resistencia de entrada, Ren (…cont) Si RB es despreciable comparada con RE, entonces: Forma corta

Ganancia de voltaje, AV Por definición: Y del circuito equivalente:

Ganancia de voltaje, AV (2) Recordando el circuito para encontrar ib / vi

Ganancia de voltaje, AV (3) Expresión para ib Y considerando que:

Ganancia de voltaje, AV (4) Simplificaciones… Forma larga

Ganancia de voltaje, AV (5) Simplificaciones… Si hib<< RE , la ecuación se reduce aún más: Forma corta 1 Si se coloca un capacitor grande en paralelo con RE , de manera que la impedancia de ca sea pequeña, entonces: Forma corta 2

Ganancia de voltaje, AV (6) Simplificaciones… Esto se puede combinar con la aproximación de hib en función de ICQ para obtener: Forma corta 3 Que muestra que con RE en cortocircuito, la ganancia de voltaje del amplificador depende del punto de operación representado por ICQ.

Ganancia de Corriente, Ai Por definición: Y de las ecuaciones de ganancia de voltaje y de resistencia equivalente de entrada: Forma larga

Ganancia de Corriente, Ai (2) Si RB es despreciable comparada con RE y hib << RE entonces : Forma corta

Ejemplo Diseñe un amplificador EC con Av=-10, =200, y RL=1kΩ. Se utiliza un transistor pnp y se requiere máxima excursión simétrica en la salida. Considere una fuente DC de -12V para polarizar el transistor. Determine la máxima excursión en la salida del amplificador. Determine el máximo voltaje pico que se puede colocar a la entrada del amplificador para que sea amplificada. Encuentre la potencia máxima que requiere disipar el transistor. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Resumen de ecuaciones de diseño para cualquier punto de operación Q Ecuaciones de diseño, y todas sus formas de escribirse y representarse, para el circuito de la figura!

Resumen de ecuaciones de diseño para el punto Q de máxima Excursión Ecuaciones de diseño,y todas sus formas de escribirse y representarse, para máxima excursión en el circuito de la figura!

Circuito simulado Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Punto de operación Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Ganancia de Voltaje Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Ganancia de Corriente Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Resistencia de entrada Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Resistencia de Salida Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Análisis de Máxima Excursión Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Análisis de Entrada de Máxima Excursión Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Salida de Máxima Excursión Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Salida de Máxima Excursión (2) Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Salida de Máxima Excursión (3) Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Salida de Máxima Excursión (4) La salida de máxima excursión es 7,5V, esto es: 3,75Vpico. O sea, la señal de entrada máxima permitida es de 0,75vPP , esto es, 375mVp. ! Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Tomado de: C. J. Savant. Diseno. Electronico. Circuitos y Sistemas Tomado de: C.J.Savant. Diseno.Electronico. Circuitos y Sistemas. Prentice-Hall.

Tomado de: C. J. Savant. Diseno. Electronico. Circuitos y Sistemas Tomado de: C.J.Savant. Diseno.Electronico. Circuitos y Sistemas. Prentice-Hall.

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