Amplificador de emisor común

En la introducción anterior al tutorial del amplificador, vimos que una familia de curvas conocidas comúnmente como Curvas características de salida, relacionan los transistores Corriente del colector (Ic), a su Tensión de Colector (Vce) para diferentes valores de la Corriente de Base de los transistores (Ib).

Todos los tipos de amplificadores de transistores operan usando entradas de señal de CA que alternan entre un valor positivo y un valor negativo, por lo que se requiere alguna forma de «preajuste» el circuito del amplificador para que opere entre estos dos valores máximos o máximos. Esto se logra mediante un proceso conocido como Biasing. La polarización es muy importante en el diseño de amplificadores, ya que establece el punto de funcionamiento correcto del amplificador de transistor listo para recibir señales, reduciendo así cualquier distorsión en la señal de salida.

También vimos que se puede dibujar una línea de carga estática o de CC en estas curvas de características de salida para mostrar todos los posibles puntos de operación del transistor desde completamente “ENCENDIDO” a completamente “APAGADO”, y a qué punto de operación inactivo o punto Q del amplificador se puede encontrar.

El objetivo de cualquier amplificador de señal pequeño es amplificar toda la señal de entrada con la mínima cantidad de distorsión posible a la señal de salida, en otras palabras, la señal de salida debe ser una reproducción exacta de la señal de entrada pero solo más grande (amplificada).

Para obtener una baja distorsión cuando se utiliza como amplificador, el punto de inactividad operativo debe seleccionarse correctamente. Este es, de hecho, el punto de funcionamiento de CC del amplificador y su posición puede establecerse en cualquier punto a lo largo de la línea de carga mediante una disposición de polarización adecuada.

La mejor posición posible para este punto Q es tan cerca de la posición central de la línea de carga como sea razonablemente posible, produciendo así una operación de amplificador de tipo Clase A, es decir. Vce = 1 / 2Vcc. Considere el circuito de un amplificador de emisor común que se muestra a continuación:

Circuito amplificador de emisor común 

El circuito amplificador de emisor común de una sola etapa que se muestra arriba utiliza lo que comúnmente se denomina “polarización del divisor de voltaje”. Este tipo de disposición de polarización utiliza dos resistencias como red divisor de potencial a través de la fuente con su punto central suministrando el voltaje de polarización de base requerido al transistor. La polarización del divisor de voltaje se usa comúnmente en el diseño de circuitos amplificadores de transistores bipolares.

Este método de polarización del transistor reduce en gran medida los efectos de la variación de Beta, ( β ) al mantener la polarización de la base a un nivel de voltaje constante y constante que permite la mejor estabilidad. El voltaje base en reposo (Vb) está determinado por la red divisoria de potencial formada por las dos resistencias, R1, R2 y la tensión de alimentación Vcc como se muestra con la corriente fluyendo a través de ambas resistencias.

A continuación, la resistencia total RT será igual a R1 + R2 dando la corriente como i = Vcc / RT. El nivel de voltaje generado en la unión de las resistencias R1 y R2 mantiene el voltaje base (Vb constante) en un valor por debajo del voltaje de suministro.

Luego, la red divisoria de potencial utilizada en el circuito amplificador de emisor común divide el voltaje de suministro en proporción a la resistencia. Este voltaje de referencia de polarización se puede calcular fácilmente usando la fórmula del divisor de voltaje simple a continuación:

Voltaje de polarización del transistor

El mismo voltaje de suministro, (Vcc) también determina la corriente máxima del colector, Ic cuando el transistor está completamente encendido (saturación), Vce = 0. La corriente base Ib para el transistor se encuentra a partir de la corriente del colector, Ic y la ganancia de corriente CC Beta, β del transistor.

Valor de Beta

Beta a veces se denomina hFE, que es la ganancia de corriente directa de los transistores en la configuración del emisor común. Beta no tiene unidades, ya que es una relación fija de las dos corrientes, Ic e Ib, por lo que un pequeño cambio en la corriente base provocará un gran cambio en la corriente del colector.

Un último punto sobre Beta. Los transistores del mismo tipo y número de pieza tendrán grandes variaciones en su valor Beta. Por ejemplo, el transistor bipolar BC107 NPN tiene un valor Beta de ganancia de corriente CC de entre 110 y 450 (valor de la hoja de datos). Entonces, un BC107 puede tener un valor Beta de 110, mientras que otro puede tener un valor Beta de 450, pero ambos son transistores BC107 npn. Esto se debe a que Beta es una característica de la construcción de los transistores y no de su funcionamiento.

Como la unión Base/Emisor está polarizada hacia adelante, el voltaje del emisor, Ve , será una caída de voltaje de la unión diferente al voltaje base. Si se conoce el voltaje a través de la resistencia del emisor, entonces la corriente del emisor se puede calcular fácilmente usando la ley de Ohm. La corriente del colector, Ic se puede aproximar, ya que es casi el mismo valor que la corriente del emisor.

Ejemplo de circuito amplificador emisor común No.1

Un circuito amplificador de emisor común tiene una resistencia de carga, RL de 1.2kΩ y una tensión de alimentación de 12v. Calcule la corriente máxima del colector (Ic) que fluye a través de la resistencia de carga cuando el transistor está completamente encendido (saturación), suponga Vce = 0. También encuentre el valor de la resistencia del emisor, RE, si tiene una caída de voltaje de 1v a través de ella. Calcule los valores de todas las demás resistencias del circuito asumiendo un transistor de silicio estándar NPN.

Esto luego establece el punto “A” en el eje vertical de la corriente del colector de las curvas características y ocurre cuando Vce = 0. Cuando el transistor se apaga completamente, no hay caída de voltaje a través de la resistencia RE o RL ya que no fluye corriente a través de ellos. Entonces, la caída de voltaje a través del transistor, Vce es igual al voltaje de suministro, Vcc. Esto establece el punto “B” en el eje horizontal de las curvas características.

Generalmente, el punto Q de reposo del amplificador tiene una señal de entrada cero aplicada a la base, por lo que el colector se encuentra aproximadamente a la mitad de la línea de carga entre cero voltios y el voltaje de suministro, (Vcc / 2). Por lo tanto, la corriente del colector en el punto Q del amplificador se dará como:

Esta línea de carga de CC estática produce una ecuación de línea recta cuya pendiente se da como: -1 / (RL + RE) y que cruza la vertical del eje Ic en un punto igual a Vcc / (RL + RE). La posición real del punto Q en la línea de carga de CC está determinada por el valor medio de Ib.

Como corriente de colector, Ic del transistor también es igual a la ganancia de CC del transistor (Beta), multiplicada por la corriente de base (β * Ib), si asumimos un valor Beta (β) para el transistor de, por ejemplo, 100, ( cien es un valor promedio razonable para transistores de señal de baja potencia) la corriente de base Ib que fluye hacia el transistor se dará como:

En lugar de usar una fuente de polarización de base separada, es habitual proporcionar el voltaje de polarización de base desde el riel de suministro principal ( Vcc) a través de una resistencia de caída, R1. Los resistores, R1 y R2 ahora se pueden elegir para dar una corriente base inactiva adecuada de 45,8 μA o 46 μA redondeada al número entero más cercano. La corriente que fluye a través del circuito divisor de potencial tiene que ser grande en comparación con la corriente base real, Ib, de modo que la red del divisor de voltaje no se cargue con el flujo de corriente base.

Una regla general es un valor de al menos 10 veces Ib que fluye a través de la resistencia R2. Voltaje del emisor / base del transistor, Vbe se fija en 0,7 V (transistor de silicio), entonces esto da el valor de R2 como:

Si la corriente que fluye a través de la resistencia R2 es 10 veces el valor de la corriente de la base, entonces la corriente que fluye a través de la resistencia R1 en la red divisora ​​debe ser 11 veces el valor de la corriente base. Es decir: IR2 + Ib.

Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia R1 es igual a Vcc – 1.7v (VRE + 0.7 para transistor de silicio) que es igual a 10.3V, por lo tanto, R1 se puede calcular como:

El valor de la resistencia del emisor, RE se puede calcular fácilmente usando Ley de Ohm. La corriente que fluye a través de RE es una combinación de la corriente de base, Ib y la corriente de colector Ic y se da como:

Resistencia, RE está conectada entre los transistores Terminal del emisor y tierra, y dijimos anteriormente que hay una caída de voltaje de 1 voltio a través de él. Por lo tanto, el valor de la resistencia del emisor, RE, se calcula como:

Entonces, para nuestro ejemplo anterior, los valores preferidos de las resistencias elegidas para dar una tolerancia del 5% (E24) son:

Entonces, nuestro circuito amplificador de emisor común original anterior puede ser reescrito para incluir los valores de los componentes que acabamos de calcular anteriormente.

Circuito de emisor común completado

Condensadores de acoplamiento

En los circuitos de amplificador de emisor común, los condensadores C1 y C2 se utilizan como condensadores de acoplamiento para separar las señales de CA del voltaje de polarización de CC. Esto asegura que la condición de polarización configurada para que el circuito funcione correctamente no se vea afectada por ninguna etapa adicional del amplificador, ya que los condensadores solo pasarán señales de CA y bloquearán cualquier componente de CC. A continuación, la señal de CA de salida se superpone a la polarización de las siguientes etapas. También un condensador de derivación, CE se incluye en el circuito de la pata del emisor.

Este condensador es efectivamente un componente de circuito abierto para condiciones de polarización de CC, lo que significa que las corrientes y voltajes de polarización no se ven afectados por la adición del condensador que mantiene una buena estabilidad del punto Q.

Sin embargo, este condensador de derivación conectado en paralelo se convierte efectivamente en un cortocircuito a la resistencia del emisor en señales de alta frecuencia debido a su reactancia. Por lo tanto, solo RL más una resistencia interna muy pequeña actúa como carga de los transistores aumentando la ganancia de voltaje a su máximo. Generalmente, el valor del condensador de derivación, CE, se elige para proporcionar una reactancia de, como máximo, 1/10 del valor de RE a la frecuencia de señal de funcionamiento más baja.

Características de las curvas de salida

Ok, hasta ahora todo bien. Ahora podemos construir una serie de curvas que muestren la corriente del colector, Ic contra el voltaje del colector / emisor, Vce con diferentes valores de la corriente base, Ib para nuestro circuito amplificador de emisor común simple.

Estas curvas se conocen como las “curvas de salida” y se utilizan para mostrar cómo funcionará el transistor en su rango dinámico. Se dibuja una línea de carga estática o CC en las curvas para la resistencia de carga RL de 1.2kΩ para mostrar todos los posibles puntos de operación de los transistores.

Cuando el transistor está en «OFF», Vce es igual a la tensión de alimentación Vcc y este es el punto «B» de la línea. Del mismo modo, cuando el transistor está completamente «ENCENDIDO» y saturado, la corriente del colector está determinada por la resistencia de carga, RL, y este es el punto «A» en la línea.

Calculamos antes a partir de la ganancia de CC del transistor que la corriente base requerida para la posición media del transistor era de 45,8 μA y esto se marca como el punto Q en la línea de carga que representa el punto de reposo o punto Q del amplificador. Fácilmente podríamos hacernos la vida más fácil y redondear este valor a 50μA exactamente, sin ningún efecto en el punto de operación.

Características de las curvas de salida

El punto Q en la línea de carga nos da el punto Q de la corriente base de Ib = 45.8μA o 46μA. Necesitamos encontrar los picos máximos y mínimos de la corriente base que resultarán en un cambio proporcional a la corriente del colector, Ic sin ninguna distorsión en la señal de salida.

A medida que la línea de carga atraviesa los diferentes valores de corriente base en las curvas de características de CC, podemos encontrar las oscilaciones máximas de la corriente base que están igualmente espaciadas a lo largo de la línea de carga. Estos valores están marcados como puntos “N” y “M” en la línea, dando una corriente base mínima y máxima de 20μA y 80μA respectivamente.

Estos puntos, «N» y «M» pueden estar en cualquier lugar a lo largo de la línea de carga que elijamos siempre que estén igualmente espaciados de Q. Esto nos da una señal de entrada máxima teórica al terminal Base de 60μA pico a pico. (Pico de 30μA) Sin producir ninguna distorsión en la señal de salida.

Cualquier señal de entrada que dé una corriente base mayor que este valor hará que el transistor vaya más allá del punto «N» y en su región de «corte» o más allá del punto «M» y en su región de saturación, lo que resultará en una distorsión de la señal de salida, en forma de «recorte».

Usando los puntos “N” y “M” como ejemplo, los valores instantáneos de la corriente del colector y los valores correspondientes de la tensión del colector-emisor se pueden proyectar desde la línea de carga. Se puede observar que la tensión Colector-emisor está en antifase (–180°) con la corriente del colector.

A medida que la corriente base Ib cambia en una dirección positiva de 50 μA a 80 μA, el voltaje del colector-emisor, que también es el voltaje de salida, disminuye de su valor de estado estable de 5,8 voltios a 2,0 voltios.

Entonces, una sola etapa de amplificador emisor común es también un «amplificador inversor», ya que un aumento en el voltaje base provoca una disminución en Vout y una disminución en el voltaje base produce un aumento en Vout. En otras palabras, la señal de salida está 180° desfasada con la señal de entrada.

Ganancia de voltaje del emisor común

La ganancia de voltaje del emisor común es igual a la relación entre el cambio en el voltaje de entrada y el cambio en el voltaje de salida del amplificador. Entonces ΔVL es Vout y ΔVB es Vin. Pero la ganancia de voltaje también es igual a la relación entre la resistencia de la señal en el colector y la resistencia de la señal en el emisor y se da como:

Mencionamos anteriormente que a medida que la frecuencia de la señal aumenta el capacitor de derivación, CE comienza a cortocircuitar la resistencia del emisor debido a su reactancia. Luego, a altas frecuencias, RE = 0, lo que hace que la ganancia sea infinita.

Sin embargo, los transistores bipolares tienen una pequeña resistencia interna incorporada en su región emisora ​​llamada Re. El material semiconductor de los transistores ofrece una resistencia interna al flujo de corriente a través de él y generalmente está representado por un pequeño símbolo de resistencia que se muestra dentro del símbolo del transistor principal.

Las hojas de datos de transistores nos dicen que para transistores bipolares de señal pequeña, esta resistencia interna es el producto de 25 mV ÷ Ie (25 mV es la caída de voltaje interna a través de la capa de unión del emisor), entonces para nuestro circuito amplificador de emisor común por encima de este valor de resistencia será igual a:

Esta resistencia interna de la pata del Emisor estará en serie con la resistencia del Emisor externo, RE, luego la ecuación para la ganancia real de los transistores se modificará para incluir esta resistencia interna, por lo que será:

En señales de baja frecuencia, la resistencia total en el Emisor leg es igual a RE + Re. A alta frecuencia, el capacitor de derivación cortocircuita la resistencia del emisor dejando solo la resistencia interna Re en la pata del emisor, lo que da como resultado una alta ganancia. Luego, para nuestro circuito amplificador de emisor común anterior, la ganancia del circuito en frecuencias de señal bajas y altas se da como:

Ganancia en frecuencias bajas

Ganancia en frecuencias altas

Un punto final, la ganancia de voltaje depende solo de los valores de la resistencia del colector , RL y la resistencia del emisor, (RE + Re) no se ve afectada por la ganancia de corriente Beta, β (hFE) del transistor.

Entonces, para nuestro simple ejemplo anterior, ahora podemos resumir todos los valores que hemos calculado para nuestro circuito amplificador de emisor común, los cuales son:

	Mínima	Media	Máxima
Corriente Base	20μA	50μA	80μA
Corriente del colector	2.0mA	4.8mA	7.7mA
Voltaje de salida Oscilación	2.0V	5.8V	9.3V
Ganancia del amplificador	-5.32		-218

Resumen del amplificador de emisor común

A continuación, para resumir, el circuito del amplificador de emisor común tiene una resistencia en su circuito colector. La corriente que fluye a través de esta resistencia produce la salida de voltaje del amplificador. El valor de esta resistencia se elige de modo que en el punto de funcionamiento inactivo del amplificador, el punto Q, este voltaje de salida se encuentre en la mitad de la línea de carga de los transistores.

La base del transistor utilizado en un amplificador de emisor común está polarizada utilizando dos resistencias como red divisor de potencial. Este tipo de disposición de polarización se usa comúnmente en el diseño de circuitos amplificadores de transistores bipolares y reduce en gran medida los efectos de la variación de Beta, ( β ) al mantener la polarización de la base a un voltaje constante constante. Este tipo de sesgo produce la mayor estabilidad.

Una resistencia puede ser incluido en el terminal del emisor, en cuyo caso la ganancia de voltaje se convierte -RL/ RE. Si no hay resistencia del Emisor externo, la ganancia de voltaje del amplificador no es infinita ya que hay una resistencia interna muy pequeña, Re en la rama del Emisor. El valor de esta resistencia interna es igual a 25 mV / IE

En el próximo tutorial sobre amplificadores de transistores veremos el amplificador de efecto de campo de unión comúnmente llamado amplificador JFET. Al igual que el transistor, el JFET se utiliza en un circuito amplificador de una sola etapa, lo que facilita su comprensión. Hay varios tipos diferentes de transistor de efecto de campo que podríamos usar, pero el más fácil de entender es el transistor de efecto de campo de unión, o JFET, que tiene una impedancia de entrada muy alta, lo que lo hace ideal para circuitos amplificadores.