El BJT en la zona activa Electrónica Analógica 1º Desarrollo de Productos Electrónicos

Índice • 1.- Amplificadores con BJT. • 2.- Osciladores LC con BJT.

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El BJT en la zona activa

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1

1.- Circuitos amplificadores con BJT • 1.- Circuitos amplificadores. – – – – – – –

1.1.- Conceptos generales de los amplificadores. 1.2.- Clases de amplificación. 1.3.- Circuitos de polarización. 1.4.- Modelo de parámetros “h”. 1.5.- Amplificador en emisor común. 1.6.- Amplificador en colector común. 1.7- Amplificador en base común.

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1.1.- Conceptos generales de los amplificadores. Rg

ug

IIN

uIN

IOUT

Amplificador

uOUT

ZL

• • • •

Ganancia de tensión (AV): cociente entre la tensión de salida y la de entrada. Ganancia de intensidad (AI): cociente entre la intensidad de salida y la de entrada. Impedancia de entrada (ZIN): cociente entre la tensión y la intensidad de entrada. Impedancia de salida (ZOUT): es la impedancia equivalente de Thevenin desde los terminales de salida.

•

Ancho de banda (BW): margen de frecuencias en el que podremos utilizar el amplificador.

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2

1.2.- Clases de amplificación. • • • •

Clase A Clase B Clase AB Clase C

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1.2.1.- Clase A • Trabajan durante todo el ciclo de la señal de i entrada C

Q

iB

iB

vCE

t Electrónica Analógica

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3

1.2.2.- Clase B • Funcionan únicamente un semiperiodo de la i señal de entrada C

iB Q

iB

vCE

t Electrónica Analógica

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1.2.3.- Clase AB • Es un caso intermedio entre la clase A y la B iC

iB Q iB

vCE

t Electrónica Analógica

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1.2.4.- Clase C • Conducen menos de un semiperiodo de la i señal de entrada C

iB

iB

Q

vCE

t Electrónica Analógica

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1.3.- Circuitos de polarización VCC

• Circuito básico

RB

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RC

10

5

1.3.- Circuitos de polarización • Polarización por realimentación del emisor • Presenta más estabilidad que el anterior frente a cambios de temperatura y/o β

VCC

RB

RC

RE

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1.3.- Circuitos de polarización • Polarización por realimentación del colector • Presenta buena estabilidad frente a cambios de temperatura y/o β

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VCC RC RB

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1.3.- Circuitos de polarización VCC

• Polarización universal • También llamado: – Polarización por divisor de tensión – Circuito autopolarizado

• Es el más utilizado • El más estable frente a cambios de temperatura y variaciones de β Electrónica Analógica

R1

RC

R2

RE

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1.4.- Modelo de parámetros “h” i1

u1

i2

h11

h12u2

h21i1

h22

u2

• Ecuaciones: u1 = h11·i1 + h12·u2 i2 = h21·i1 + h22·u2

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1.4.- Modelo de parámetros “h” • También llamado: – Modelo de parámetros híbridos, – Modelo equivalente del transistor de pequeña señal.

• El parámetro h11 representa una resistencia. • El parámetro h12 se llama ganancia de tensión inversa, ya que representa una fuente de tensión dependiente de la tensión de salida u2. • El parámetro h21 se llama ganancia directa de intensidad, representa una fuente de intensidad que depende de la intensidad de entrada i1. • El parámetro h22 representa una admitancia, es decir, el inverso de una resistencia. Electrónica Analógica

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1.4.- Modelo de parámetros “h” • Los coeficientes “h” cambian de nombre y de valor según la configuración: emisor común, colector común y base común. Configuración

h11

h12

h21

h22

Entrada

Salida

Emisor común

Base

Colector

hie

hre

hfe

hoe

Base común

Emisor

Colector

hib

hrb

hfb

hob

Colector común

Base

Emisor

hic

hrc

hfc

hoc

• “i” de input, “r” de reverse • “f” de forward, “o” de output Electrónica Analógica

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8

1.4.- Modelo de parámetros “h” iB

iE

hie

B uBE

C hreuCE

hfeiB

hoe

uCE

E

• Los valores típicos del modelo en emisor común son: • hie = 1000 Ω, hre = 2·10-4 • hfe = 100, hoe = 2·10-5 Ω-1 Electrónica Analógica

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1.4.- Modelo de parámetros “h” • Los valores típicos del modelo en colector común son: • hic = 1000 Ω, hrc = 1 • hfc = – 100, hoc = 2·10-5 Ω-1. • Los valores típicos del modelo en base común son: • hib = 20 Ω, hrb = 3·10-4 • hfb = – 0,98, hob = 0,5·10-6 Ω-1 Electrónica Analógica

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1.5.- Amplificador en emisor común VCC

R1 Rg

RC

uOUT

IIN

IOUT

C2 C1

ug

R2

uIN

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RE

ZL

CE

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1.5.- Amplificador en emisor común • Circuito equivalente: Rg

IIN

B

hie

iB

C1

ug

R1

uIN

R2

IOUT

C

hreuCE

hfeiB

C2

hoe

RC

E RE

ZL

uOUT

CE

• C1, C2 y CE se pueden considerar cortocircuitos. • hre y hoe se pueden despreciar. Electrónica Analógica

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1.5.- Amplificador en emisor común • Circuito equivalente: Rg

ug

IIN

B

R1

iB

IOUT

C hfeiB

hie

R2

uIN

RC

ZL

uOUT

E

• Con estas simplificaciones obtenemos la impedancia de entrada, la impedancia de salida, la ganancia de tensión y la ganancia de intensidad. Electrónica Analógica

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1.5.- Amplificador en emisor común 1

• impedancia de entrada: Z IN = 1 1 1 + + R1

R2

• impedancia de salida:

Z OUT = R C

• ganancia de tensión:

AV =

• ganancia de intensidad: A I =

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h ie

u OUT R ·Z h = C L · fe u IN R C + Z L h ie

i OUT R C ·Z IN ·h fe = i IN (R C + Z L )·h ie

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1.5.- Amplificador en emisor común • Av: mayor que la unidad. • AI: mayor que la unidad. • ZIN: valor intermedio respecto a las otras configuraciones. • ZOUT: valor intermedio respecto a las otras configuraciones. • La configuración emisor – común es la única que proporciona al mismo tiempo ganancias de tensión y de intensidad superiores a la unidad. Electrónica Analógica

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1.6.- Amplificador en colector común VCC

R1 Rg

IIN

uOUT

ug

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uIN

R2

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RE

C2

IOUT

C1

ZL

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1.6.- Amplificador en colector común • AV: ligeramente menor que la unidad. • AI: similar a la de emisor – común. • ZIN: es la mayor de las tres configuraciones. • ZOUT: la menor de las tres configuraciones. Electrónica Analógica

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1.7.- Amplificador en base común VCC

R1

RE

uOUT IIN

IOUT

COUT

Rg

C1 R2

RE

CIN

uIN Electrónica Analógica

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ug

ZL

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1.7.- Amplificador en base común • AV: aproximadamente la misma que en la configuración de emisor – común. • AI: menor que la unidad. • ZIN: la menor de las tres configuraciones. • ZOUT: la mayor de las tres configuraciones.

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2.- Osciladores LC con BJT • 2.1.- Principio de funcionamiento. • 2.2.- Modelo general. Circuito tanque. • 2.3.- Oscilador Colpitts. – 2.3.1.- Oscilador Colpitts en emisor común. – 2.3.2.- Oscilador Colpitts en base común. – 2.3.3.- Oscilador Colpitts en colector común.

• 2.4.- Oscilador Hartley. – 2.4.1.- Oscilador Hartley en emisor común. – 2.4.2.- Oscilador Hartley en base común. Electrónica Analógica

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2.1.- Principio de funcionamiento 1. 2. 3.

•

Carga del condensador. Descarga a través de la bobina. La descarga se produce a una frecuencia a la que XL = XC Esta frecuencia se llama frecuencia de resonancia. fr =

R

VCC

C

L

1 2π LC

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2.2.- Modelo general. Circuito tanque. • Z1, Z2 y Z3 son 3 impedancias (L – C), y forman el llamado circuito tanque. • Para que arranque la oscilación se debe cumplir: hFE ≥

X1 X2

Z3

Z2

Z1

• La frecuencia se obtiene de: • X1 + X2 + X3 = 0 Electrónica Analógica

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2.2.- Modelo general. Circuito tanque. • Z1 y Z2 deben ser del mismo tipo (L o C). • Z3 debe ser del tipo contrario. • Por lo tanto hay 2 configuraciones básicas:

Z3

Z2

Z1

– Z1 y Z2 son condensadores y Z3 es una bobina (Colpitts). – Z1 y Z2 son bobinas y Z3 es un condensador (Hartley).

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2.3.- Oscilador Colpitts. • Z1 y Z2 son condensadores y Z3 es una bobina. • Existen 3 posibilidades:

C2 L C1

– Colpitts en emisor común. – Colpitts en base común. – Colpitts en colector común.

• Condición de oscilación: hFE ≥

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• Frecuencia de oscilación:

C2 C1

f = El BJT en la zona activa

1 2π

C1 + C 2 L·C1 ·C 2 32

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2.3.1.- Colpitts en emisor común. VCC

LRFC

R1

VS C1 CD L

R2

RE

CD

C2 Electrónica Analógica

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2.3.2.- Colpitts en base común. VCC L RB

VS C2

C3

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RE

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C1

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2.3.2.- Colpitts en base común.

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2.3.3.- Colpitts en colector común. VCC

CD

R1 CD L

R2

C1 C2

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VS RE

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2.3.4.- Ejercicios. • Simular los osciladores de Colpitts (VCC=12 V): – Emisor común: R1 = 12 kΩ, R2 = 4,7 kΩ, RE = 2,2 kΩ, L = 40 µH, LRFC = 3 mH, C1 = 6,8 nF, C2 = 1 nF, CD = 100 nF – Base común: RB = 47 kΩ, RE = 180 Ω, L = 10 mH, C1 = 100 nF, C2 = 100 nF, CD = 100 nF – Colector común: R1 = 54 kΩ, R2 = 83 kΩ, RE = 5 kΩ, L = 3 µH, C1 = 33 pF, C2 = 54 pF, CD = 68 nF Electrónica Analógica

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2.4.- Oscilador Hartley. • Z1 y Z2 son bobinas y Z3 es un condesador. • Existen 3 posibilidades básicas:

L2 C

– Hartley en emisor común. – Hartley en base común. – Hartley en colector común.

• Condición de oscilación: hFE ≥

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L1

• Frecuencia de oscilación:

L1 L2

f =

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1 2π (L1 + L2 )·C 38

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2.4.1.- Hartley en emisor común. VCC

LRFC

R1

VS CD

L1

C

R2

RE

L2

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CD

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2.4.2.- Hartley en base común. VCC

R1

RC VS L2 C2

CD

R2

RE

L1

LRFC

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