En realidad, este tutorial pretendía explicar la importancia práctica de las teorías de transistores conocidas, los gráficos característicos y utilizarlos para diseñar un circuito amplificador de alta ganancia utilizando un solo transistor y una cantidad mínima de otros componentes.
Analizaremos ciertas características y teorías de los transistores, las resumiremos y, al final de este tutorial, diseñaremos un amplificador de alta ganancia por nuestra cuenta.
Configuración de emisor común:
Consideremos un circuito amplificador de clase A con polarización fija y emisor común.
Figura 1.
El equivalente híbrido del mismo circuito se proporciona a continuación.
Figura 2.
Aquí hi es la impedancia encontrada por cualquier dispositivo conectado en la entrada, hoe es la admitancia en la salida.
( hfe * ib ) forma una fuente de corriente dependiente de la corriente donde hfe es la tasa de transferencia de corriente continua e ib es la corriente base. (hre * Vce) forma una fuente de voltaje dependiente del voltaje, el valor es demasiado bajo para que lo ignoremos. hre es la relación de voltaje inverso.
Por tanto, podemos reducir el circuito equivalente de la siguiente manera:
Figura 3.
En las figuras 2 y 3, podemos ver que el BJT es un dispositivo impulsado por corriente.
O información 1.
El cambio en la corriente de entrada provoca un cambio correspondiente en la corriente de salida.
También podemos observar en la figura anterior que la corriente de salida (corriente de colector) es directamente proporcional a la corriente de entrada (corriente de base).
O podemos explicar la relación usando la ecuación.
Ic = hfe * ib …………………………………………………………….….. ecuación 1.
Características de los transistores
Características de los transistores :
Ahora, si graficamos la corriente de salida (ic) Vs el voltaje de salida (Vce), para los diferentes valores de la corriente de entrada (ib)
vida = 100
Figura 4.
vida = 200
Figura 5
Región de saturación:
La región de saturación es la región en la que la corriente de salida aumenta de forma no lineal con el voltaje de salida para una corriente de entrada específica. .
Región de corte:
La región de corte muestra la corriente de salida para una corriente de entrada cero.
Región activa:
La región activa es la región en la que la corriente de salida varía casi linealmente con el voltaje de salida para todos los valores de la corriente de entrada.
De las figuras anteriores (4 y 5), queda claro que a medida que la vida útil aumenta dos veces desde la figura 4 a la figura 5, el mismo conjunto de corriente de entrada produce el doble de corriente de salida que el anterior.
Podemos ver el efecto más claramente en la siguiente figura.
Entonces tenemos la siguiente información,
Para una gran variación en la corriente de salida correspondiente a la variación típicamente pequeña en la corriente de entrada, se requiere un transistor con una vida útil alta.
información 2
A medida que aumenta la vida útil, también aumenta el cambio en la corriente de salida correspondiente al cambio en la corriente de entrada.
Hasta ahora hemos visto gráficos con cambios en la corriente de salida correspondientes a cambios en la corriente de entrada. Ahora veamos cómo el cambio de la corriente de entrada afecta el voltaje de salida.
Para el propósito anterior, utilizamos la línea de carga.
La línea de carga no es más que una línea recta que conecta la corriente de salida máxima posible en el eje Y con el voltaje de salida máximo posible en el eje X.
En la línea de carga podemos encontrar el voltaje de salida correspondiente a una corriente de entrada determinada.
De la figura anterior tenemos la siguiente información:
información 3.
El valor máximo de la corriente de salida es VCC/Rc y el valor mínimo es casi 0
información 4.
El valor máximo del voltaje de salida es VCC y el valor mínimo es casi 0
información 5.
A medida que aumenta la corriente de entrada, el voltaje de salida disminuye
Ahora apliquemos el concepto de línea de carga a los gráficos de transistores anteriores en la figura 6.
Figura 8.
De la figura anterior podemos ver que
información 6 .
A medida que aumenta la vida útil, aumenta la variación en el voltaje de salida correspondiente a las variaciones en la corriente de entrada.
Ahora bien, ¿qué pasa si aumentamos la pendiente de la línea de carga?
Figura 9.
Se puede observar que la misma variación en la corriente de entrada produce aún más cambios en el voltaje de salida que los gráficos anteriores, a medida que aumentamos la pendiente de la línea de carga.
La pendiente de la línea de carga se puede aumentar aumentando el valor de Rc.
Entonces, encontramos otra información importante.
información 7.
Rc aumenta, aumenta la variación en el voltaje de salida correspondiente a las variaciones en la corriente de entrada.
Aunque la oscilación de la salida aumenta al aumentar la pendiente, el rango de entrada ha disminuido significativamente.
Por tanto, debemos tener en cuenta que,
Si aumentamos la pendiente de la línea de carga tanto como sea posible, debemos mantener la corriente de entrada inicial (corriente de entrada cuando no se aplica ninguna señal de entrada) lo más pequeña posible para mantener el dispositivo en la región lineal durante la oscilación de entrada completa. para obtener la correspondiente distorsión menos salida.
La corriente de entrada se puede reducir aumentando Rb. De las características del transistor se desprende claramente que el pequeño valor de la corriente de entrada permite un amplio rango de voltaje de salida, es decir, desde casi cero hasta cerca de VCC.
Entonces podemos decir que,
información 8 .
Rb debe mantenerse extremadamente alto para aumentar el rango lineal de oscilación del voltaje de salida correspondiente a la corriente de la señal de entrada normalmente pequeña.
Figura 10.
Si estamos usando un dispositivo en la entrada que pueda aumentar o disminuir la corriente de entrada a partir de un valor promedio, por ejemplo una entrada sinusoidal. En estos casos, para obtener una oscilación de salida completa correspondiente a la oscilación de entrada, debemos mantener la corriente de salida inicial y el voltaje de salida inicial en una posición media llamada punto Q o punto de reposo.
El punto Q es el punto de funcionamiento en el que mantenemos el amplificador, mientras no se aplica ninguna entrada, para obtener una oscilación de salida completa y sin distorsión correspondiente a una oscilación de entrada, siempre que se aplique una señal de entrada dentro del rango esperado.
En la figura 10, Vce max es casi igual a VCC y Vce min casi igual a 0. Por lo tanto, podemos suponer que la salida puede oscilar entre 0 y VCC y por lo tanto es apropiado mantener el voltaje de salida inicialmente a la mitad de VCC. De manera similar, ib min es casi igual a 0. Podemos suponer que la corriente de entrada oscila entre ib min e ib max y, por lo tanto, es apropiado mantener la corriente de entrada inicialmente en ib max/2.
Aunque no hay ninguna entrada presente,
VceQ debe ser VCC/2, ibQ debe ser ib max/2.
O,
información 9.
El valor de Rc debe establecerse de manera que Vceq = VCC/2 para obtener la oscilación máxima del voltaje de salida.
información 10 .
El valor de Rb debe establecerse de manera que ibQ = ibmax/2 para permitir la máxima oscilación de entrada.
Resumen:
Para un amplificador de alta ganancia,
1) Elija un transistor con una vida útil lo más larga posible para obtener grandes variaciones en la corriente de salida correspondientes a variaciones en la corriente de entrada.
2) Rb debe mantenerse extremadamente alto para aumentar el rango lineal de oscilación del voltaje de salida correspondiente a la corriente de la señal de entrada normalmente pequeña, también se debe seleccionar el valor de Rb para mantener el punto Q exactamente en el medio de el saldo actual de entrada esperado.
3) Rc debe ser altamente valorado para obtener grandes variaciones en el voltaje de salida correspondientes a variaciones en la corriente de salida, causadas por variaciones en la corriente de entrada, que a su vez son causadas por variaciones en el voltaje de la señal de entrada aplicada.
Diseño de un amplificador de ganancia de alto voltaje
Diseño de un amplificador de ganancia de alto voltaje:
Entonces, comencemos a diseñar el circuito que se muestra en la figura 1.
Elegimos el transistor BC109 porque tiene una vida útil de alrededor de 300 años.
Suponemos que Vbe es 0,7 V para una unión típica con polarización directa
Por lo tanto VRb = 5 – 0,7V = 4,3 V
Fijemos la corriente de funcionamiento en 1uA, para ello tenemos que calcular el valor de Rb como,
Rb = 4,3 / (1 * 10-6) = 4,7 Mohmios
Ahora ic = hfe * ib
ic = 300 * ( 1 * 10-6 )
CI = 0,3 mA
Ahora podemos calcular el valor de Rc como,
Rc = 2,5 / (3 * 10-4) = 8,2 Kohmios.
Si sólo necesitamos variaciones en la entrada para que aparezcan amplificadas en la salida, podemos utilizar condensadores de acoplamiento en ambos extremos. El valor de los condensadores de acoplamiento debe calcularse en función de la frecuencia de las señales que utilizamos.
Para amplificaciones de audio, valores inferiores a 100 mfd proporcionarán un rendimiento razonable.
Este circuito se puede utilizar como un amplificador de audio de una sola etapa en el que la entrada se alimenta mediante un micrófono y en el lado de salida podemos utilizar un altavoz común de 8ohm. Podemos utilizar un valor de resistencia de 1k a 20K para tirar del micrófono dependiendo de su tipo.
