[DSE] 2 Amplificacion de pequeña señal con transistores BJT y FET

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Diseinu eta Simulazio Elektronikoa 2.a. Tema: Amplificación de pequeña señal con transistores BJT Las señales de pequeña amplitud y baja frecuencia permiten al BJT trabajar en la zona lineal. En estas condiciones, el modelo de parámetros híbridos se convierte en la mejor herramienta para analizar el funcionamiento del transistor BJT en pequeña señal. De este modo, el comportamiento del transistor se puede describir mediante unas ecuaciones lineales y sencillas. el transistor se puede sustituir por un circuito equivalente compuesto por elementos lineales, lo cual permite utilizar las leyes comunes de la electrónica (Ohm, Kirchoff, Thevenin) para su resolución. 2.a.1. Definición de los parámetros híbridos Para conseguir el modelo de pequeña señal de un transistor BJT analizaremos el transistor como un cuadripolo, desarrollando las ecuaciones que relacionan las tensiones y corrientes de entrada y salida. variables i I y v I , valores instantáneos de entrada variables i S y v S , valores instantáneos de salida las variables i S y v I son dependientes, mientras i I y v S son independientes 1

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2.a. Tema: Amplificación de pequeña señal con transistores BJT

Las señales de pequeña amplitud y baja frecuencia permiten al BJT trabajar en la zona lineal. En estas condiciones, el modelo de parámetros híbridos se convierte en la mejor herramienta para analizar el funcionamiento del transistor BJT en pequeña señal. De este modo,

el comportamiento del transistor se puede describir mediante unas ecuaciones lineales y sencillas.

el transistor se puede sustituir por un circuito equivalente compuesto por elementos lineales, lo cual permite utilizar las leyes comunes de la electrónica (Ohm, Kirchoff, Thevenin) para su resolución.

2.a.1. Definición de los parámetros híbridos

Para conseguir el modelo de pequeña señal de un transistor BJT analizaremos el transistor como un cuadripolo, desarrollando las ecuaciones que relacionan las tensiones y corrientes de entrada y salida.

variables iI y vI, valores instantáneos de entradavariables iS y vS, valores instantáneos de salida

las variables iS y vI son dependientes, mientras iI y vS son independientes

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Desarrollando estas funciones en serie de Taylor:

Las derivadas parciales son los incrementos de las variables y en pequeña señal, dado que dichos incrementos son pequeños, coinciden con los valores instantáneos:

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Rescribiendo las ecuaciones de otra manera, el significado de los parámetros híbridos se entiende mucho mejor:

hi [Ω] impedancia de entrada con la salida en cortocircuito.

hr [adimensional] ganancia inversa de tensión con entrada en circuito abierto.

hf [adimensional] ganancia de corriente con la salida cortocircuitada.

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ho [Ω-1] conductancia de salida con la entrada en circuito abierto.

Estas ecuaciones permiten dibujar el circuito equivalente de pequeña señal del BJT.

2.a.2. Circuito equivalente del BJT para pequeña señal

Dependiendo del electrodo común, cambiarán los subíndices de las corrientes, tensiones y parámetros híbridos. El circuito equivalente de pequeña señal es el mismo en un PNP que en NPN.

2.a.2.1. Emisor común

ib

vbe

ic

vce

ib

vbe

ic

vce

ib

vbe

ic

vce

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2.a.2.2. Colector común

ib

vbc

ie

vec

ib

vbc

ie

vec

ib

vbc

ie

vec

2.a.2.3. Base común

ie

veb

ic

vcb

ie

veb

ic

vcb

ie

veb

ic

vcb

2.a.3. Valores típicos de los parámetros híbridos

En la siguiente tabla se muestran los valores típicos de los parámetros híbridos, siendo Q[|IC|=1.3mA, |VCE|=5V], Ta=25ºC eta fS=1Khz.

hi hr hf hoEK 2.1 KΩ 10-4 100 10-2 (KΩ)-1KK 2.1 KΩ 1 -101 10-2 (KΩ)-1BK 20 Ω ~10-4 -0.99 10-4 (KΩ)-1

hib es menor que en las otras dos configuraciones.

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hrb eta hre son muy pequeños (la salida apenas influye en la entrada). hfb es menor que uno. hfb eta hfc son negativos. hob es menor que en las otras dos configuraciones.

2.a.4. Criterios para simplificar el circuito equivalente

Para lograr un circuito equivalente más sencillo, aplicaremos dos simplificaciones:

Despreciar hr en el circuito de entrada. Es decir, despreciamos el la influencia que la salida pueda tener en la entrada.

Si ho*Rl≤0.1, despreciamos ho en el circuito de salida.

2.a.5. Relación entre las distintas configuraciones

Los fabricantes de transistores sólo facilitan los parámetros híbridos en emisor común. Por esta razón, nos conviene conocer la relación que tienen colector y base común con emisor común.

NOTA: cuando no se conozcan los parámetros híbridos de emisor común, se utilizarán las siguientes equivalencias:

2.a.5.1. Circuito equivalente de colector común con parámetros de emisor común

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2.a.5.2. Parámetros híbridos de colector común en función de los de emisor común

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2.a.5.3. Circuito equivalente de base común con parámetros de emisor común

2.a.5.4. Parámetros híbridos de base común en función de los de emisor común

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2.a.5. Análisis de las diferentes configuraciones

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Análisis de las distintas configuraciones teniendo en cuenta todas las simplificaciones.

2.a.6. Criterios para elegir la configuración adecuada

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  Δi Δv Ri RoE.K. 99 -452 2.1 KΩ 147 KΩ

B.K. -0.99 469 20 Ω 4.88 MΩ

K.K. -100 0.99 920 KΩ 30 Ω

Cuando se requiera amplificar tensión, no se pueden utilizar las configuraciones de KK (Δv≈1) y BK (Ri⇊), siendo la de EK la más adecuada.

A la hora de elegir la etapa de entrada, en ocasiones es más importante la resistencia de entrada que la ganancia de tensión.

o Para lograr una resistencia de entrada grande, utilizaremos KK. o Para lograr una resistencia de entrada pequeña, utilizaremos BK.

A la hora de elegir la etapa de salida, el criterio más importante la resistencia de salida.

o Para lograr una resistencia de entrada grande, utilizaremos BK. o Para lograr una resistencia de entrada pequeña, utilizaremos KK.

2.a.7. Variaciones de los parámetros híbridos

Los parámetros híbridos de un transistor varían con la temperatura y el punto de trabajo. Los fabricantes proporcionan las curvas de variación de los parámetros híbridos en emisor común para una temperatura y punto de trabajo dados.

Ejemplo: cuando T=25ºC, el transistor tiene hie=10K, siendo Q [IC=1mA; VCE=5v]. Calcular hie a T=100ºC cuando Q [IC=20mA; VCE=5v].

2.b. Tema: Amplificación de pequeña señal con transistores FET

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Las señales de pequeña amplitud y baja frecuencia permiten al FET trabajar en la zona lineal. En estas condiciones, el modelo de parámetros híbridos se convierte en la mejor herramienta para analizar el funcionamiento del transistor en alterna. De este modo,

el comportamiento del transistor se puede describir mediante unas ecuaciones lineales y sencillas.

el transistor se puede sustituir por un circuito equivalente compuesto por elementos lineales, lo cual permite utilizar las leyes comunes de la electrónica (Ohm, Kirchoff, Thevenin) para su resolución.

Para conseguir el modelo de pequeña señal de un transistor FET analizaremos el transistor como un cuadripolo, desarrollando las ecuaciones que relacionan las tensiones y corrientes de entrada y salida.

iD

vDS

iG=0

vGSFET

tensión Vgs, tensión instantánea de entrada.variables Id eta Vds, valores instantáneos de salida.

la variable Id aldagaia es dependiente, mientras Vgs eta Vds son independientes.

Desarrollando esta función en serie de Taylor:

Las derivadas parciales son los incrementos de las variables y en pequeña señal, dado que dichos incrementos son pequeños, coinciden con los valores instantáneos:

dsgsds

dgs

dsgs

dd v

vv

iv

vv

ii

00ds

dgsmd v

rvgi

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gm [Ω-1] TRANSCONDUCTANCIA o corriente de salida con respecto a la tensión de entrada con la salida en cortocircuito.

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1/rd [Ω-1] conductancia de salida cuando no hay señal a la entrada. o rd [Ω] àRESISTENCIA DE DRENADOR.

Estas ecuaciones permiten dibujar el circuito equivalente de pequeña señal del FET.

2.b.2. Análisis de las diferentes configuraciones

A la hora de analizar las distintas configuraciones supondremos que rd >> RL, por lo tanto, podemos despreciar rd.

2.b.3. Variación de los parámetros

Los parámetros gm eta rd varían con la temperatura y el punto de trabajo del transistor.

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gm rd

Ta

gm rd

Ta

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