Tema 8: Amplificación. leyes de Kirchoff que permiten expresar cualquiera 2 variables del...

1

Tema 8: Amplificación.

Contenidos 8.1 Objetivos

8.2 Conceptos Previos

8.3 Modelos H de un transistor bipolar

8.4 Modelo π o de Giacoletto

8.5 Conceptos sobre amplificadores

8.6 Características de las configuraciones del transitor

bipolar

8.7 Modelos de Pequeña Señal FET

8.8 Características de las configuraciones del transistor

MOS

8.9 Análisis de Amplificadores con realimentación

2

8.1 Objetivos

Una vez aprendidos los elementos básicos de la electrónica

(transistores y diodos) y los circuitos básicos de polarización

•El objetivo de este tema es aprender a analizar y diseñar

estructuras para amplificar señales tanto de tensión como de

intensidad, ya sean simples o diferenciales

•Aprenderemos cuales son las mejores características que

deben reunir estos amplificadores

3

8.2 Conceptos Previos. Notación.

3

VA,IA

va,ia

vA,iA Pequeña Señal

Gran Señal

Cualquier Señal = Gran Señal + Pequeña Señal

4

8.2.2 Conceptos previos. Cuadripolos

para pequeña señal

4

•Es conveniente disponer de una representación sencilla de los circuitos y

componentes lineales que nos permita describir fácilmente su comportamiento

de cara al exterior cuando operamos con pequeñas señales

•Los cuadripolos representan estas características eléctricas sin necesidad de

preocuparnos por la topología y los componentes de un circuito concreto.

•Por ejemplo, el funcionamiento de un amplificador puede describirse por unos

parámetros de ganancia, impedancia de entrada y de salida, sin necesidad de

conocer el circuito y los componentes que lo integran.

Un cuadripolo es un circuito

con 4 nudos (polos)

accesibles desde el exterior

agrupados en 2 puertos

Definición

5

8.2.2 Conceptos Previos. Cuadripolos.

5

•Dependiendo de qué variables consideremos dependientes o independientes,

podemos tener distintos tipos de cuadripolos para un mismo circuito

•Usaremos los cuadripolos H que consideran variables independientes la i1 y v2,

siendo dependientes de estas v1 e i2, para describir, transistores, diodos o circuitos

complejos

212

211

vhihi

vhihv

of

ri

ih 2vhr

2ih foh

02

2

01

2

02

1

01

1

12

12

i

o

v

f

i

r

v

i

v

ih

i

ih

v

vh

i

vh

6

8.3 Modelos H de un transistor Bipolar.

6

• Un problema que tenemos a la hora de hallar el cuadripolo H de un transistor es que

este tiene 3 terminales mientras que, un cuadripolo tiene 4.

•Compartiremos un terminal como polo tanto de entrada como de salida

•Dependiendo de qué terminal compartamos hablamos de 3 configuraciones del

transistor

•Configuración EC

(Emisor Común)

•Configuración BC

(Base Común)

•Configuración CC

(Colector Común)

7

8.3.2 Modelo H de una configuración EC.

7


(Emisor Común)

212

211

vhihi

vhihv

of

ri

Nuestro

objetivo

Partimos de las Ecuaciones de Ebers-Moll y de

las leyes de Kirchoff que permiten expresar

cualquiera 2 variables del transistor en función

de otras dos:

212

211

,,

,,

vigviiii

vifvivvv

CEBCC

CEBBEBE

Pero estas ecuaciones son en general exponenciales de forma más o

menos complicada.

Sin embargo, desarrollándolas en serie en torno a un punto (Punto de

Operación de continua) vamos a ver que tienen la misma forma que las

expresiones de un cuadripolo H

8


8

El punto en torno al cual vamos a desarrollar las funciones vBE e

iC, es el punto de polarización dado por IB y VCE.

El desarrollo lo haremos mediante un polinomio de Taylor de

primer orden.

CECE

CE

CBB

B

C

I

CEBCCEBCC

CECE

CE

BEBB

B

BE

V

CEBBECEBBEBE

Vvv

iIi

i

iVIiviii

Vvv

vIi

i

vVIvvivv

C

BE

,,

,,

ce

CE

Cb

B

Cc

ce

CE

BEb

B

BEbe

vv

ii

i

ii

vv

vi

i

vv

ceoebfec

cerebiebe

vhihi

vhihv

Modelo H de pequeña señal

de un EC

9


9

Las demás configuraciones del transistor admiten el mismo

tratamiento, llegando a circuitos iguales cambiando el subíndice e

por c → CC o b → BC

ceoebfec

cerebiebe

vhihi

vhihv


(Emisor Común)

•Válido tanto para

NPN como para PNP

•En cualquier

configuración el

transistor se puede

sustituir por este

modelo

10


10

•Los parámetros H de un transistor Bipolar pueden extraerse del

modelo Ebers-Moll del transistor, pero obviamente tienen valores

distintos para cada punto de operación y los cálculos no son

sencillos

•Por esto la mayoría de fabricantes los proporcionan para

distintos puntos de operación. De forma que, conocido el punto

de operación del transistor, podemos mediante tablas encontrar el

valor de los parámetros H

Búsqueda Tabulada

•Unicamente hfe es conocido de una forma sencilla, ya que los

transistores bipolares operan en Z. Activa cuando se utilizan

para amplificación:

B

Cfe

i

ih

11

8.3.2 Modelo H simplificado

11

•Para un gran número de casos nos encontramos con que los

parámetros hre ~ 0 y hoe → ∞

Modelo de parámetros H

simplificado

•Este modelo ha sido derivado para una configuración de EC, sin

embargo, cualquier transistor sea cual sea su configuración

se puede sustitur por el modelo de parámetros H de EC.


NPN como para PNP

12

8.4 Modelo π o de Giacoletto

12

•Para evitar el problema de la tabulación y poder encontrar los

parámetros de un modelo de pequeña señal de una forma

sencilla, Giacoletto desarrolló un modelo basándose en el

funcionamiento del transistor.

•Este modelo permite tener en cuenta los efectos de la frecuencia

Modelo de parámetros π

13

8.4.2 Modelos π simplificados

13

•Si no tenemos que tener en cuenta los efectos de la frecuencia,

el modelo π se puede simplificar eliminando los condensadores y

según la aplicación las resistencias rbb’, rμ e incluso ro

•El modelo más simple sería:

Modelo de parámetros π

simplificado


NPN como para PNP

•Modelo válido

para cualquier

configuración

14

8.4.2 Modelos π simplificados

14

•Los principales valores del modelo π los podemos calcular

analíticamente de los datos del punto de operación (En el modelo

simplificado: todos)

•El resto serán suministrados por el fabricante

C

Ao

m

TE

B

TE

Cm

I

Vr

g

V

I

rg

V

Ig

1

g

gm

15

8.5 Conceptos sobre Amplificadores

15

Salida(t)=K*Entrada(t-t0)

K=>Ganancia del Amplificador (K>1)

(Potencia)

fase de Distorsión

amplitud de Distorsión

0

ctet

cteKSalida Entrada

Tensión Corriente

¿Qué es un amplificador?

16

8.5.2 Tipos de Amplificadores.

Amplificador de Tensión

16

AvV

V

ZZZ

ZZZ

AvZZ

Z

ZZ

Z

V

V

S

O

OLO

iSi

LO

L

iS

i

S

O

0;

;

LO

LO

iS

i

S

eA

ZZ

Z

VAv

V

ZZ

Z

V

V

eA

17

8.5.3 Tipos de Amplificadores.

Amplificador de Intensidad

17

I

I

AI

I

ZZZ

ZZZ

AZZ

Z

ZZ

Z

I

I

S

O

OLO

iSi

LO

O

iS

S

S

O

;

0;

LO

OO

iS

S

S

eA

ZZ

Z

IA

I

ZZ

Z

I

I

eAI

18

8.5.4 RTh y Ganancias

18

s

o

i

o

i

o

v

vA

v

vA

i

iA

vs

v

I

Cualquier tipo de

amplificador

si

LI

si

Lvs

i

LI

i

Lv

RR

RA

RRi

Ri

v

vA

R

RA

Ri

Ri

v

vA

i

o

s

o

i

o

i

o

19

8.5.5 Análisis General de un Circuito de

Amplificación a frecuencias medias

19

+

CZ •Pasivación de

fuentes

independientes

de Continua

20

8.6 Características de las configuraciones

del transistor Bipolar

Configuración EC con parámetros H. Ai, Av, Ri

ie

Lfe

ie

Lv

fe

fe

I

h

Rh

hi

Ri

v

vA

hi

ih

i

iA

b

o

i

o

b

b

i

o

iei hi

vR

i

i

Ri

21



Configuración EC con parámetros H. Ro, R’o

Ro R’o Test

Test

I

VRo

Test

TestTestbfeb

I

VIihi 000

R’o L

ibhfe

Test

Test RI

V 0

Ro

22



Configuración CC con parámetros H. Ai, Av, Ri

i

ie

Lfeie

Lfe

Lie

Lv

fe

fe

I

R

h

Rihhi

Rih

Rihi

Ri

v

vA

hi

ihi

i

iA

11

1

1

bb

b

ob

o

i

o

b

bb

i

o

Lfeie

b

Lbfeieb

i Rhhi

Rihhi

i

vR

1

1

i

i

Ri

23



Configuración CC con parámetros H. Ro, R’o

LOO RRR '

fe

ie

bfe

iebo

h

h

ih

hi

I

VR

11Test

Test

R’o Ro Ro Test

Test

I

V

Si hubiese una etapa previa

con resistencia de salida

Ro,prev:

fe

ieprevO

Oh

hRR

1

,

24



Configuración BC con parámetros H. Ai, Av, Ri

ie

Lfe

ie

Lfe

ie

Lv

fe

fe

fe

fe

I

h

Rh

hi

Rih

hi

Ri

v

vA

h

h

ih

ih

i

iA

b

b

b

o

i

o

b

b

i

o

11

fe

ie

bfe

iebi

h

h

ih

hi

i

vR

11i

i

Ri

25



Configuración BC con parámetros H. Ro, R’o

Ro R’o Test

Test

I

VRo

Test

TestTestbfeb

I

VIihi 000

R’o L

ibhfe

Test

Test RI

V 0

Ro

26



Configuración EC con RE con parámetros H. Ai, Av, Ri

i

Lfe

i

Lfe

Efeie

Lv

fe

fe

I

R

Rh

Ri

Rih

Rihhi

Ri

v

vA

hi

ih

i

iA

b

b

bb

o

i

o

b

b

i

o

1

Efeie

b

Ebfeieb

i Rhhi

Rihhi

i

vR

1

1

i

i

Ri

27



Configuración EC con RE con parámetros H. Ro, R’o

Ro R’o Test

Test

I

VRo

Test

TestTestbbfeieb

I

VIiihhi 0001

R’o L

ibhfe

Test

Test RI

V 0

Ro

28



Configuración CC con parámetros π. Ai, Av, Ri

ggr

Rr

R

Rrigiri

Rrigi

v

vA

i

vgi

i

iA

m

e

Le

L

Lm

Lmv

mI

1;

1

bbb

bb

i

o

b

b

i

o

L

b

Lbmbb

b

Lmbbi Rr

i

Rrigiri

i

Rvgiri

i

vR

1i

i

Ri riv b

29



Configuración CC con parámetros π. Ro, R’o

LOO RRR '

11Test

Test r

irg

ri

I

VR

bm

bo

R’o Ro Ro Test

Test

I

V

Si hubiese una etapa previa

con resistencia de salida

Ro,prev:

1

, rRR

prevO

O

30



Configuración CC con RC

•Se puede comprobar (realizar

como ejercicio) que las

características de esta etapa son

exactamente las mismas que las

de CC

Por lo que no tiene un estudio

propio y se suele denominar

también configuración CC

31



Configuración BC con parámetros π. Ai, Av, Ri

Ri

Transformación de Fuente de Corriente:

32



Configuración BC con parámetros π. Ai, Av, Ri

Ri

e

mm

i rggg

ri

vR

11

i

i

Lm

Limv

m

m

e

mI

Rgv

Rvg

v

vA

gg

g

rv

vg

i

iA

ii

o

i

o

1


del transistor Bipolar Tabla Resumen (ro, 1/hoe) →∞

EC ECRE CC BC EC ECRE CC BC

AI

Ri

AV

Ro ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞

R’o

fehfeh feh1

fe

fe

h

h

1 1

1

iehEfe

ie

Rh

h

)1(

Lfe

ie

Rh

h

)1(

fe

ie

h

h

1 rER

r

)1(

LR

r

)1(

gg

rm

e

1

ie

Lfe

h

Rh

i

Lfe

R

Rh

i

ie

R

h1

ie

Lfe

h

Rh

LmRg LmRgi

L

R

R

eL

L

rR

R

fe

ieprevo

h

hR

1

,

1

, rR prevo

LRLR LR

LO RR LR LRLRLO RR


del transistor Bipolar Tabla Resumen


AI

Ri

AV

Ro ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞

R’o

fehfeh feh1

fe

fe

h

h

1 1

1

iehEfe

ie

Rh

h

)1(

Lfe

ie

Rh

h

)1(

fe

ie

h

h

1 rER

r

)1(

LR

r

)1(

gg

rm

e

1

ie

Lfe

h

Rh

i

Lfe

R

Rh

i

ie

R

h1

ie

Lfe

h

Rh

LmRg LmRgi

L

R

R

eL

L

rR

R

fe

ieprevo

h

hR

1

,

1

, rR prevo

LRLR LR

LO RR LR LRLRLO RR

1

1



Resistencia de Salida si ro o 1/hoe < ∞


Ro ro

R’o

)( ERf

EomoE RrrgrRg 1)(

oeh

1

LO RRLO RR

Aunque se modifican más casillas, sólo lo tendremos

en cuenta para las resistencias de salida

Eie

ieoe

fe

oe

E Rhhh

h

hRf

1

1)(

oefe

ieprevo

hh

hR 1

1

,

)( ERg)( , prevoRf

o

prevor

rR

1

,)( , prevoRg

36

8.7 Modelos de pequeña señal FET.

Transistor MOS.

36

Se procede de igual forma que en el caso de transistores bipolares:

sb

SB

Dds

DS

Dgs

GS

Dd

SBSB

SB

DDSDS

DS

DGSGS

GS

D

I

SBDSGSDSBDSGSDD

vv

iv

v

iv

v

ii

Vvv

iVv

v

iVv

v

iVVVivvvii

D

,,,,

SB

Dmb

DS

D

O

O

GS

Dm

v

ig

v

i

rg

v

ig

;

1;

sbmbdsOgsmd vgvgvgi

Modelo de pequeña señal de

un transistor NMOS o PMOS

37


Transistor MOS.

37

Los transistores MOS operan en zona de saturación cuando se

utilizan como amplificadores:

DSTGSn

D vVvi

12

2

Modelo de pequeña señal de

un transistor NMOS o PMOS

A

DD

DS

D

O

O

SBF

m

SB

T

T

D

SB

Dmb

D

GS

Dm

V

II

v

i

rg

Vg

v

V

V

i

v

ig

Iv

ig

1

22

2

sbmbdsOgsmd vgvgvgi

FSBFTOT VVV 22

38


Transistor MOS.

38

Generalmente gm >> gmb por lo que podemos simplificar el modelo:

Modelo de pequeña señal

simplificado (NMOS o

PMOS) (versión Norton)

Om rg


simplificado (NMOS o

PMOS) (versión Thevenin)

39

8.7.2 Modelos de pequeña señal FET.

Transistor JFET.

39

Los modelos de pequeña señal de un transistor JFET son idénticos a

los de un transistor MOS ya que sus ecuaciones en zona de saturación

son similares


simplificado (nFET o pFET)

La única diferencia está en el valor de los parámetros:

A

DD

DS

D

O

O

D

GS

Dm

V

II

v

i

rg

Iv

ig

1

2

40

8.7.3 Modelos de pequeña señal con efectos

capacitivos de transistores MOS y JFET.

40

Para tener en cuenta los efectos de los condensadores en un transistor

MOS o JFET, simplemente basta considerar los condensadores que

aparecen en la estructura entre G - D, y entre G - S

41


del transistor MOS

Configuración SC. Ai, Av, Ri

LOm

rogm

LO

Lv

I

RrgRr

R

v

vA

i

iA

i

o

i

o

i

i

i

vRi

Ri

iLO

LO v

Rr

Rv

42


del transistor MOS

Configuración SC. Ro, R’o

LOO RrR '

Oo rI

VR

Test

Test

R’o Ro

43


del transistor MOS

Configuración DC. Ai, Av, Ri

OL

Lv

I

rR

R

v

vA

i

iA

1i

o

i

o

i

i

i

vRi

Ri

Oi

LO

LO vv

Rr

Rv

44


del transistor MOS

Otras Configuraciones

Configuración GC

Configuración SC con RS

Configuración DC con RD

45


del transistor MOS

Tabla Resumen

SC SCRS DC DCRD GC

AV

Ro

R’o

LO

L

LOm

Rr

R

Rrg

Or

OLS

L

rRR

R

1

OS rR 1

OL

L

rR

R

1

1Or

ODL

L

rRR

R

1

1DO Rr

LO

L

LOm

Rr

R

Rrg

prevO

O

R

r

,1

LO RR

46


del transistor MOS

Tabla Resumen

SC SCRS DC DCRD GC

AV

Ro

R’o

LO

L

LOm

Rr

R

Rrg

Or

OLS

L

rRR

R

1

OS rR 1

OL

L

rR

R

1

1Or

ODL

L

rRR

R

1

1DO Rr

LO

L

LOm

Rr

R

Rrg

prevO

O

R

r

,1

LO RR

1 1

47

8.9 Análisis de Amplificadores con

Realimentación

Teorema de Miller

= K

ZZ

11

12

K

KZZ

Demostración

2

2

2

122

1

11211

11

1

Z

V

Z

KV

Z

VVI

Z

V

Z

KV

Z

VVI

1

2

V

VK

48


Realimentación

Realimentación CB

1v

vK O

K1

2001

200

K

K

kh

h

ie

fe

1.1

50

•Entre otras cosas,

mejora las estabilidades del circuito

49


Realimentación

1.1

/11

20010

50 K

h

RhK

ie

Lfe

K1

200K/11

200


entre vo y v1

K=vo/v1= -432.85

Realimentación CB

¡¡Este valor de K es válido para calcular

Av, Ai, y Ri, pero NO para Ro !!

50


Realimentación

k

46,0k

46,200

6,131,146,010

1,146,085,4321

1

vi

v

v

v

vi

vA OO

v

74,141046,200

32,106,13

L

iv

i

oI

R

RA

i

iA

Ri

kRi 32,101.146,010

Realimentación CB

51


Realimentación

Realimentación EB •Evita la disminución en la Ri

debida a la red de polarización

Circuito de

Continua

Circuito de

Pequeña señal

52


Realimentación

Realimentación EB

•Configuración CC

entre vo y v1

1v

vKA O

v

213

/11BB RR

K

R

K

R

13

EBBL

mL

L

RRRK

RR

ggR

RK

213

/11

;)/(1

53


Realimentación

Condensador de Emisor

• RE Mejora las estabilidades del circuito

de polarización

•Disminuye la ganancia del Circuito

•Para mantener elevada la ganancia y

las estabilidades, introducimos CE

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