Amplificador de colector común

El amplificador de colector común es otro tipo de transistor de unión bipolar, configuración (BJT) donde la señal de entrada se aplica al terminal base y la señal de salida tomada del terminal emisor. Por lo tanto, el terminal del colector es común a los circuitos de entrada y salida. Este tipo de configuración se llama Colector común, (CC) porque el terminal del colector está efectivamente «conectado a tierra» o «polo a tierra» a través de la fuente de alimentación.

En muchos aspectos, la configuración del colector común de (CC) es el opuesto de la configuración de emisor común (CE), como la resistencia de carga conectada se mueve desde el terminal de colector de costumbre, etiquetado RC, a la terminal de emisor donde su marca es RE.

La configuración de colector común o colector con conexión a tierra se utiliza generalmente cuando se necesita conectar una fuente de entrada de alta impedancia a una carga de salida de baja impedancia que requiere una alta ganancia de corriente. Considere el circuito amplificador colector común a continuación:

Amplificador de colector común que utiliza un transistor NPN 

Las resistencias R1 y R2 forman una red divisora ​​de voltaje simple que se utiliza para polarizar el transistor NPN en conducción. Dado que este divisor de voltaje carga ligeramente el transistor, el voltaje base, VB, se puede calcular fácilmente usando la fórmula simple del divisor de voltaje como se muestra:

Voltaje de red divisora

Con el terminal colector del transistor conectado directamente a VCC y sin resistencia de colector, (RC = 0) cualquier corriente de colector generará una caída de tensión en la resistencia del emisor RE.

Sin embargo, en el circuito amplificador de colector común, la misma caída de voltaje, VE también representa el voltaje de salida, VOUT.

Idealmente, querríamos que la caída de voltaje de CC en RE sea ​​igual a la mitad del voltaje de suministro, VCC para que el voltaje de salida en reposo de los transistores se ubique en algún lugar en el medio de las curvas de características, lo que permite una señal de salida máxima sin recortar. Por tanto, la elección de RE depende en gran medida de IB y de la ganancia de corriente de los transistores Beta, β.

Como la unión pn base-emisor está polarizada hacia adelante, la corriente de base fluye a través de la unión hacia el emisor y fomenta la acción del transistor, lo que provoca una corriente de colector mucho mayor, IC. Por lo tanto la corriente de emisor es una combinación de corriente de base y la corriente de colector como: IE = IB + IC. Sin embargo, como la corriente de base es extremadamente pequeña en comparación con la corriente del colector, la corriente del emisor es aproximadamente igual a la corriente del colector. Así IE ≈ IC

Al igual que con la configuración del amplificador de emisor común (CE), la señal de entrada se aplica al terminal base de los transistores y, como dijimos anteriormente, la señal de salida del amplificador se toma del terminal del emisor emisor. Sin embargo, como solo hay una unión polarizada hacia adelante entre la base de los transistores y su terminal emisor, cualquier señal de entrada aplicada a la base pasa directamente a través de la unión al emisor. Por lo tanto, la señal de salida presente en el emisor está en fase con la señal de entrada aplicada en la base.

Como la señal de salida de los amplificadores se toma de la carga del emisor, este tipo de configuración de transistor también se conoce como seguidor de emisor circuito, ya que la salida del emisor «sigue» o rastrea cualquier cambio de voltaje en la señal de entrada base, excepto que permanece en aproximadamente 0,7 voltios. (VBE) por debajo del voltaje base. Por lo tanto, VIN y VOUT están en fase produciendo una diferencia de fase cero entre las señales de entrada y salida.

Habiendo dicho eso, la unión pn del emisor actúa efectivamente como un diodo polarizado hacia adelante y para pequeñas señales de entrada de CA, esta unión de diodo emisor tiene una resistencia dada por: r ‘e = 25mV / Ie donde 25mV es el voltaje térmico de la unión a temperatura ambiente (25 °C) y Ie es la corriente del emisor. Entonces, a medida que aumenta la corriente del emisor, la resistencia del emisor disminuye en una cantidad proporcional.

La corriente de base que fluye a través de esta resistencia interna unión base-emisor también fluye hacia fuera y a través de la resistencia de emisor conectado externamente, RE. Estas dos resistencias están conectadas en serie, actuando así como una red divisoria de potencial creando una caída de voltaje. Dado que el valor de r ‘e es muy pequeño y RE es mucho mayor, generalmente en el rango de kiloohmios (kΩ), la magnitud del voltaje de salida de los amplificadores es por lo tanto menor que su voltaje de entrada.

Sin embargo, en realidad, la magnitud del voltaje de salida (pico a pico) generalmente se encuentra en el valor del 98 al 99% del voltaje de entrada, que es lo suficientemente cercano en la mayoría de los casos para ser considerado como ganancia unitaria.

Podemos calcular la ganancia de voltaje, VA del amplificador de colector común usando la fórmula del divisor de voltaje como se muestra, asumiendo que el voltaje base, VB, es en realidad el voltaje de entrada, VIN.

Ganancia de voltaje del amplificador de colector común

Por lo tanto, el amplificador de colector común no puede proporcionar amplificación de voltaje y otra expresión utilizada para describir el circuito amplificador de colector común es como un circuito seguidor de voltaje por razones obvias. Por lo tanto, dado que la señal de salida sigue de cerca a la entrada y está en fase con la entrada, el circuito colector común es, por lo tanto, un amplificador de ganancia de voltaje unitario no inversor.

Ejemplo de amplificador de colector común No.1

Un amplificador de colector común se construye utilizando un transistor bipolar NPN y una red de polarización de divisor de voltaje. Si R1 = 5k6Ω, R2 = 6k8Ω y la tensión de alimentación es de 12 voltios. Calcule los valores de: VB, VC y VE, la corriente del emisor IE, la resistencia interna del emisor r ‘e y la ganancia de voltaje de los amplificadores AV cuando se usa una resistencia de carga de 4k7Ω. También dibuje el circuito final y la curva de características correspondiente con la línea de carga.

1. Base tensión de polarización, VB

2. Voltaje del colector, VC. Como no hay resistencia de carga del colector, el terminal del colector de los transistores está conectado directamente al riel de suministro de CC, por lo que VC = VCC = 12 voltios.

3. Voltaje de polarización del emisor, VE

4. Corriente del emisor, IE

5. Resistencia del emisor de CA, r ‘e

6. Ganancia de voltaje, AV

Circuito amplificador de colector común con línea de carga

Impedancia de entrada del colector común 

Aunque el amplificador colector común no es muy bueno para ser un amplificador de voltaje, porque como hemos visto, su pequeña ganancia de voltaje de señal es aproximadamente igual a uno (AV ≅ 1), sin embargo, hace un muy buen circuito de búfer de voltaje debido a su alta entrada (ZIN) y salidas bajas (ZOUT Impedancias), que proporcionan aislamiento entre una fuente de señal de entrada y una carga de impedancia de carga.

Otra característica útil del amplificador colector común es que proporciona una ganancia de corriente (Ai) siempre que esté conduciendo. Es decir que puede pasar una gran cantidad de corriente que fluye desde el colector al emisor, en respuesta a un pequeño cambio en su corriente de base,IB. Recuerde que esta corriente CC sólo ve RE ya que no hay RC. Entonces, la corriente CC es simplemente: VCC/ RE, que puede ser grande si RE es pequeña.

Considere la configuración básica del amplificador de colector común o del seguidor de emisor a continuación:

Configuración del amplificador de colector común

Para el análisis del circuito de CA, los capacitores están en corto y VCC está en corto (impedancia cero). Por lo tanto, el circuito equivalente se da como se muestra con las corrientes de polarización y los voltajes dados como:

La impedancia de entrada, ZIN de la configuración del colector común que mira hacia la base se da como:

Pero como Beta, β es generalmente mucho mayor que 1 (generalmente por encima de 100), la expresión de: β + 1 se puede reducir a solo Beta, β como multiplicación por 100 es prácticamente lo mismo que multiplicar por 101. Por lo tanto:

Impedancia de base del amplificador de colector común

Donde: β es la ganancia de corriente de los transistores, Re es la resistencia equivalente del emisor y r ‘e es la resistencia de CA del emisor- diodo base. Tenga en cuenta que dado que el valor combinado de Re es generalmente mucho mayor que la resistencia equivalente de los diodos, r ‘e (kilo ohmios en comparación con unos pocos ohmios), la impedancia de base de los transistores se puede dar simplemente como: β * Re.

Un punto interesante para notar aquí es que la impedancia base de entrada de los transistores, ZIN (base) puede ser controlada por el valor de la resistencia de la pata del emisor, RE o la resistencia de carga RL, ya que están conectadas en paralelo.

Si bien la ecuación anterior nos da la impedancia de entrada mirando hacia la base del transistor, no nos da la verdadera impedancia de entrada que vería la señal fuente mirando hacia el circuito amplificador completo. Para eso, debemos considerar las dos resistencias que forman la red de polarización del divisor de voltaje. Por lo tanto:

Impedancia de entrada del amplificador de colector común

Ejemplo de amplificador de colector común No.2

Utilizando el circuito amplificador de colector común anterior de arriba, el cálculo de las impedancias de entrada de la base de transistores y amplificadores de etapa si la resistencia de carga, RL es 10k y la ganancia de los transistores de corriente NPN es de 100.

1 .Resistencia del emisor de CA, r ‘e

2. Resistencia de carga equivalente, Re

3. Impedancia de base de los transistores, ZBASE

2. Impedancia de entrada del amplificador, ZIN (ETAPA)

Como la impedancia de la base de los transistores de 322 kΩ es mucho mayor que la impedancia de entrada de los amplificadores de sólo 2,8 kΩ, genera que la impedancia de entrada del amplificador colector común está determinada por la relación de las dos resistencias de polarización, R1 y R2.

Impedancia de salida del colector común

Para determinar la impedancia de salida Z de amplificadores CC OUT desde la carga hacia el terminal emisor del amplificador, primero debemos quitar la carga ya que queremos ver la resistencia efectiva del amplificador que está impulsando la carga. Por lo tanto, el circuito equivalente de CA que mira a la salida de los amplificadores se da como:

Desde arriba, la impedancia de entrada del circuito base se da como:RB = R1|| R2. La ganancia de corriente del transistor se da como: β. Por lo tanto, la ecuación de salida se da como:

Podemos ver entonces que la resistencia del emisor, RE, está efectivamente en paralelo con toda la impedancia del transistor mirando hacia atrás en su terminal emisor.

Si calculamos la impedancia de salida de nuestro circuito amplificador de emisor común usando los valores de los componentes de arriba, daría una impedancia de salida ZOUT de menos de 50Ω (49.5Ω) que es mucho más pequeña que la impedancia de entrada más alta, ZIN (BASE) calculado previamente.

Por lo tanto, podemos ver que la configuración del amplificador de colector común tiene, a partir del cálculo, una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida muy baja, lo que le permite conducir una carga de baja impedancia. De hecho, debido a que los amplificadores CC tienen una impedancia de entrada relativamente alta y una impedancia de salida muy baja, se usa comúnmente como un amplificador de búfer de ganancia unitaria.

Habiendo determinado que la impedancia de salida, ZOUT de nuestro amplificador de ejemplo anterior es aproximadamente 50Ω por cálculo, si ahora conectamos la resistencia de carga de 10kΩ nuevamente al circuito, la impedancia de salida resultante será:

Aunque la resistencia de carga es de 10kΩ, la salida equivalente la resistencia sigue siendo baja en 49,3 Ω. Esto se debe a que RL es grande en comparación con ZOUT, por lo que para una transferencia de potencia máxima, RL debe ser igual a ZOUT. Como la ganancia de voltaje del amplificador de colector común se considera la unidad (1), la ganancia de potencia de los amplificadores debe ser igual a su ganancia de corriente, ya que P = V * I.

Dado que la ganancia de corriente del colector común se define como la relación entre la corriente del emisor y la corriente de base, γ = IE/ IB = β + 1, se deduce que la ganancia de corriente de los amplificadores debe ser aproximadamente igual a Beta (β) como β + 1 es prácticamente lo mismo que Beta.

Resumen del amplificador de colector común

En este tutorial hemos visto sobre el amplificador de colector común que recibe su nombre debido a que el terminal del colector del BJT es común tanto a la entrada y circuitos de salida ya que no hay resistencia de colector, RC.

La ganancia de voltaje del amplificador colector común es aproximadamente igual a la unidad (Av ≅ 1) y que su ganancia de corriente, Ai es aproximadamente igual a Beta, (Ai≅β) que dependiendo del valor de los transistores particulares valor Beta puede ser tranquilo alto.

También hemos visto a través del cálculo, que la impedancia de entrada, ZIN es alta mientras que su impedancia de salida, ZOUT es baja, lo que la hace útil para fines de adaptación de impedancia (o adaptación de resistencia) o como circuito de amortiguación entre una fuente de voltaje y una baja carga de impedancia.A medida que el amplificador de colector común (CC) recibe su señal de entrada a la base con el voltaje de salida tomado de la carga del emisor, los voltajes de entrada y salida están «en fase» (0° diferencia de fase), por lo que la configuración del colector común va por el nombre secundario del seguidor de emisor, ya que el voltaje de salida (voltaje del emisor) sigue al voltaje base de entrada.