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
•Configuración EC
(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
8.3.2 Modelo H de una configuración EC.
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
8.3.2 Modelo H de una configuración EC.
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
•Configuración EC
(Emisor Común)
•Válido tanto para
NPN como para PNP
•En cualquier
configuración el
transistor se puede
sustituir por este
modelo
10
8.3.2 Modelo H de una configuración EC.
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.
•Válido tanto para
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
•Válido tanto para
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
Configuración BC con parámetros π. Ai, Av, Ri
Ri
Transformación de Fuente de Corriente:
32
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
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
8.6 Características de las configuraciones
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
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar Tabla Resumen
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
1
1
8.6 Características de las configuraciones
del transistor Bipolar
Resistencia de Salida si ro o 1/hoe < ∞
EC ECRE CC BC EC ECRE CC BC
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
8.7 Modelos de pequeña señal FET.
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
8.7 Modelos de pequeña señal FET.
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
Modelo de pequeña señal
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
Modelo de pequeña señal
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
8.8 Características de las configuraciones
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
8.8 Características de las configuraciones
del transistor MOS
Configuración SC. Ro, R’o
LOO RrR '
Oo rI
VR
Test
Test
R’o Ro
43
8.8 Características de las configuraciones
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
8.8 Características de las configuraciones
del transistor MOS
Otras Configuraciones
Configuración GC
Configuración SC con RS
Configuración DC con RD
45
8.8 Características de las configuraciones
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
8.8 Características de las configuraciones
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
8.9 Análisis de Amplificadores con
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
8.9 Análisis de Amplificadores con
Realimentación
1.1
/11
20010
50 K
h
RhK
ie
Lfe
K1
200K/11
200
•Configuración EC
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
8.9 Análisis de Amplificadores con
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
8.9 Análisis de Amplificadores con
Realimentación
Realimentación EB •Evita la disminución en la Ri
debida a la red de polarización
Circuito de
Continua
Circuito de
Pequeña señal
52
8.9 Análisis de Amplificadores con
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
8.9 Análisis de Amplificadores con
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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