ampl ps BJT

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    22-Nov-2014

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<p>J.J. Garca1LeccinAmplificadores de pequea seal a frecuencias medias con transistores de unin bipolar.J.J. Garca2Programa de la asignatura.Presentacin.1. Repaso de conceptos fundamentales.2. Diodos semiconductores.3. Fuentes de alimentacin, reguladores de tensin. 4. Circuitos con transistores de unin bipolar. 5. Circuitos con transistores de efecto de campo.6. Amplificadores de potencia. 7. Subsistemas integrados analgicos.8. Amplificadores Operacionales.9. Osciladores.10.Interfases analgico-digitales.J.J. Garca3ndice del tema.4. Circuitos con transistores de unin bipolar. 4.1. Introduccin al BJT.4.2. Circuitos de polarizacin.4.3. Aplicaciones digitales. 4.4. Amplificadores de pequea seal a frecuencias medias. 4.5. Respuesta en frecuencia.J.J. Garca44.1 Introduccin al BJT.Estructura del transistor bipolar BJT. Modelo de gran seal.Modelo de Ebers-Moll.Estados del transistor.Caractersticas de las 4 regiones de funcionamiento.Circuitos equivalentes para cada regin de funcionamiento.Efectos de segundo orden.Tensin de Early y Resistencia de salida.Temperatura.Tensin de ruptura.Capacidades parsitas.Resistencias parsitas.Parmetros SPICE.) (mA IC) (V VCE) (mA IC) (V VCESaturacinCorteAct ivaInversaActivaDirectaDC F i DE R i DCiDEiebcdepECdifCCdifECdepCCCr0er0erbrcrJ.J. Garca5Recta de Carga.Clculo de puntos de polarizacin en circuitos tpicos.4.2 Circuitos de polarizacin.J.J. Garca64.3 Aplicaciones digitales.Puerta lgica con transistor bipolar. Circuito Inversor.Anlisis del funcionamiento bsicoClculo del fan out.Problema de la conmutacin.Anlisis de los estados intermedios en la conmutacin.Efectos de los condensadores, retardos.J.J. Garca74.4 Amplificadores de p.s. a frec.medias.Parmetros del modelo de pequea seal: linealizacin alrededor del punto de polarizacin.Obtencin de los parmetros del modelo de pequea seal a partir de las curvas caractersticas del transistor y del punto de polarizacin. Modelo de parmetros hbridos del transistor BJT.Configuracin de emisor comn.Configuracin de base comnConfiguracin de colector comn.Amplificadores cascada. Amplificadores cascode.Amplificador Darlington.4.4.1 Modelo de pequea seal del BJT.4.4.2 Parmetros importantes de un amplificador: AV,AI, Ziy Zo.4.4.3 Circuitos amplificadores de pequea seal con BJT.4.4.4 Amplificadores con varios Transistores.J.J. Garca84.4.1 Modelo de pequea seal del BJTParmetros del modelo de pequea sealseal pequea de tensidad in i Q punto el en tensidad in I base de tensidad in ibBB:::TBEVSB eIi =Funcin caracterstica de entrada del transistorLinealizacin alrededor del punto de trabajo QTBE BEVVSB eIi +=K + + + =2! 21beTBbeTBB BVIVII i distorsin de nos termi i I i b B B + + =) ( ) ( tVIt i beTBb =) (1) ( trt i be b = BITVr =Definicin de rTBEVVSB eII=J.J. Garca9Parmetros del modelo de pequea sealFuncin caracterstica de salida del transistorB C i i = ( ) ) ( ) ( t i I t i b B C + = ) ( ) ( t i t i b c = Relacin entre corrientes de base y colector en la regin activa directa.Linealizacin alrededor del punto de trabajo QRelacin de variables de pequea seal4.4.1 Modelo de pequea seal del BJTJ.J. Garca10Modelo de pequea seal==V g t i rVt im cB) () (rgm =TCmVIg =BTIVr =Relacin entre la transconductancia y beta. Relacin entre los parmetros del modelo se pequea seal y el punto de polarizacin Q. ==) ( ) () (1) (t i t itrt ib cbe B4.4.1 Modelo de pequea seal del BJTJ.J. Garca11Modelo de pequea seal. Efectos de segundo orden.ru: representa la realimentacin interna debido a la modulacin del ancho de base. Provoca que la caracterstica de entrada vare ligeramente con la tensin de salida. ru=10rorb: resistencia de base, es pequea, y difcil de medir debido a la gran dispersin. Slo resulta importante a altas frecuencias.ro: es un efecto directo de la modulacin del ancho de banda ro=VA/IC. 4.4.1 Modelo de pequea seal del BJTJ.J. Garca12Obtencin de los parmetros del modelo de pequea seal a partirde las curvas caractersticas del transistor y del punto de polarizacin. QBEBQBEB i ir ==1QBCQBCACiiii== QBECQBECmViVig==4.4.1 Modelo de pequea seal del BJTJ.J. Garca13Modelo de parmetros hbridos del transistor.4.4.1 Modelo de pequea seal del BJTiI oIoViViI oIoViV ++Cuadripolo==) , () , (o i oo i iV I g I V I f V+=+=oooiiooooiiiiiVVIIIIIVVVIIVV + = + =o o i f oo r i i iv h i h i v h i h vJ.J. Garca14 + = + =o oc i fc oo rc i ic iv h i h i v h i h vModelo de parmetros hbridos del transistor.4.4.1 Modelo de pequea seal del BJTiI oIoViViI oIoViV ++ecbiI oIoViViI oIoViV ++ec b + = + =o oe i fe oo re i ie iv h i h i v h i h v + = + =o ob i fb oo rb i ib iv h i h i v h i h viI oIoViViI oIoViV ++ecboe oefc ferc reic ieh h h h h h h h= = ==) 1 (1oe ie fe fefe re oe ierboe ie fe feieibh h h h h h h hhh h h h hh+ + + =+ +=) 1 )( 1 () 1 () 1 )( 1 (oe ie fe feoeoboe ie fe feoe ie re fefbh h h h hhh h h h h h h hh+ +=+ + =) 1 )( 1 () 1 )( 1 () 1 (J.J. Garca15Definiciones.4.4.2 Parmetros : AV,AI, Ziy Zo.Impedancia de entrada Zi iIiViIiV +oVoI+ oVoIImpedancia de salida ZoiiiIVZ =oooIVZ =Impedancia de entrada del bipuerto dejando la salida en circuito abiertoImpedancia vista desde el puerto de salida al cortocircuitar la entradaJ.J. Garca164.4.2 Parmetros : AV,AI, Ziy Zo.Definiciones.Ganancia en tensin AViIiV oV+iIiV +oVDistinguiremos entre la ganancia en tensin con y sin carga (AVy AVNL). ioVNLVVA =Con los valores AVNL, Ziy Zopodemos caracterizar las propiedades internas del cuadripolo. iVoZiZi VNL V A+oV+J.J. Garca17Efectos de la resistencia de salida de la fuente de entrada y de la resistencia de carga4.4.2 Parmetros : AV,AI, Ziy Zo.La ganancia AV se ve afectada por la resistencia de salida de la fuente de entradaVNLi siVS AZ R ZA NL+=Ganancia en tensin AVi VNL V A oZiZsR+-sV iV+-oVsis iss iis iVZ R ZVR Z ZV V+=+=i VNL o V A V =En la medida en que la resistencia de salida de la fuente sea muy pequea, la ganancia desde la fuente ser igual que la ganancia en tensin sin carga.J.J. Garca184.4.2 Parmetros : AV,AI, Ziy Zo.Las ganancias AVy AIdependen de la resistencia de cargaVNLo LLV AZ R RA+=LiV IRZA A =Ganancia en tensin AVGanancia en corriente AIi VNL V A iZoZLR oV+-iV+-oIiIiiiZVI =LooRVI =Efectos de la resistencia de salida de la fuente de entrada y de la resistencia de cargaEfecto combinado Rsy RLVNLo LLi siVS AZ R RZ R ZA+ +=J.J. Garca19Configuracin de emisor comn4.4.3 Circuitos amplificadores.BR cR BR cRr orV+- V gmr R Z B i = o c o r R Z =) ( o C m VNL r R g A = = + += mB C oo B mI g rr R R r r R g rA) )( (r R R rBC o1010iV oVCCV1R2R*CRERiV oVCCV2 1 R R RB =J.J. Garca20Emisor comn con resistencia de emisor.4.4.3 Circuitos amplificadores.1R2RCRERiV oVCCV2 1 R R RB =BR V r V gmcRERiV oV++- -CR Z =0BRERcRoViV-+J.J. Garca21Emisor comn con resistencia de emisor.4.4.3 Circuitos amplificadores.BR V r V gmcRERiV oV+ +- -) ( ) ) 1 ( () 1 () ) 1 ( (E B E BE BE Bi R r R R r RR r R R r RZ + + + =+ + + + +=ii bi bi bi ) ( +1bBii iRVi + =) ) 1 ( ( E b i R r i V + + = EibR r Vi) 1 ( + +=EiBiiR r VRVi) 1 ( + ++ =J.J. Garca224.4.3 Circuitos amplificadores.EcVNLRRA EL Co LLVNL VRR RZ R RA A =+=BR V rV gmcRERiV oV+ +- -ii oi bi bi ) ( +1biC b o R i V = b E b i i r R i V + + = ) 1 ( r RRVVAECioVNL+ + = =) 1 (LiV IRZA A =LiEL CIRZRR RA =Emisor comn con resistencia de emisor.J.J. Garca23Configuracin de seguidor de emisor.4.4.3 Circuitos amplificadores.1R2R ERiVoVCCVBRERiVoVCCV2 1 R R RB =bi V gmbiriVoVERBR) ) 1 ( ( E B i R r R Z + + = r rR Z E o =1 + = r R RAEEVNL1 . 1 + =+= r R RZ R RA ALLo LLVNL VLE BLiV IR R r RRZA A) ) 1 ( ( + += = J.J. Garca24Configuracin Zi Zo Av Medio (1k) Medio(1k) Alto (-200) Alto (100k) Medio (1k) Bajo (-5) Alto (100k) Bajo (20 ) Bajo (1) Bajo (20 ) Medio (1k) Alto (200) Medio (1k) Medio (1k) Alto (-200) *CR1R2RERiV oVCCV2 1 R R RB=r R Z B i = o c o r R Z =) ( o C m VNL r R g A =1R2RCRERiV oVCCV2 1 R R RB =) ( E B R r R Zi + CR Z =0EcVNLRRA BRERiVoVCCVrR Z E o = ) ) 1 ( ( E B i R r R Z + + = 1 + = r R RAEEVNLiV oVER CRCCV EEVECiRRrZ+=1F C o R R Z =rR Z E i = C o R Z =rRA CVNL =CRFRiV oVCCVrRA CVNL =iV oVER CRCCV EEVCRFRiV oVCCVJ.J. Garca254.4.3 Circuitos amplificadores con varios transistoresLa combinacin de varios transistores nos permite combinar las caractersticas de los circuitos de la tabla anterior. Existen diferentes mtodos para combinar aqu presentaremos tres:Configuracin en Cascada.Configuracin tipo cascode.Configuracin tipo Darlington.J.J. Garca264.4.3 Circuitos amplificadores con varios transistoresConfiguracin en Cascada.jj jjjNVNLi oiVV V V VAZ Z ZAA A A A112 1+++== KNoZNiZN N i VNL V A oViV1oZ1iZ1 1 i VNL V A ( ) LNoZNiZN N i VNL V A+oViV1oZ1iZ1 1 i VNL V A+LJ.J. Garca274.4.3 Circuitos amplificadores con varios transistoresConfiguracin en Cascode.oIoViIiVoIoV +cbiIiV+ebBase comnEmisor comno ocomn emisor i iCVNLr Z Z Z rRA) 1 ( + ===Consigue una ganancia en tensin grande con una impedancia de entrada media y una impedancia de salida elevada.J.J. Garca284.4.3 Circuitos amplificadores con varios transistoresConfiguracin Darlington.2 1 Q Q QD =Para demostrarlo se analiza el circuito equivalente de pequea seal.El resultado de la configuracin Darlington es un transistor con una igual al producto de las s de los transistoresJ.J. Garca294.5 Respuesta en frecuencia.Introduccin.Comportamiento general de los amplificadores de pequea seal en frecuencia.4.5.1 Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.Mtodos para evaluar la frecuencia de corte inferior.Ejemplos numricos.4.5.2 Respuesta en frecuencia. Alta frecuencia.Mtodos para evaluar la frecuencia de corte superior.Ejemplos numricos.J.J. Garca304.5 Respuesta en frecuencia.Frecuencia de corte inferior. Determinada por los condensadores da acopolo y desacoplo.Frecuencia de corte superior. Determinada por los condensadores internos del transistorLHJ.J. Garca314.5.1 Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.Tenemos dos mtodos para evaluar su efecto en la frecuencia de corte inferior.Clculo de la funcin de transferencia. Aplicable en el caso de circuitos simples con ceros y polos que no interaccionen entre s. Evaluacin de la funcin de transferencia considerando los condensadores de acoplo y desacoplo y escogiendo el mayor de los polos como la frecuencia de corte inferior.Mtodo de las constantes de tiempo en cortocircuito. Consiste en evaluar la contribucin de cada condensador mediante la expresin.Donde la Ries la resistencia que ofrece el circuito de pequea seal vista desde el punto de conexin del condensador Ci. Se trata de un mtodo aproximado que puede ser de gran utilidad para obtener estimaciones rpidas de la frecuencia de corte inferior y modificaciones de diseo en el caso de que exista interaccin entre los polos o las funciones de transferencia resulten muy complicadas.== Ni Li L1 i iLiC R1= Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.J.J. Garca324.5.1 Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.Ejemplo del Mtodo de las constantes de tiempo en cortocircuitoModelo de pequea seal considerando los condensadores de acoplo y desacoploAmplificador en emisor comn con condensadores de acoplo y desacoplo.V gmrV+ -Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.J.J. Garca33Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.4.5.1 Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.Ejemplo del Mtodo de las constantes de tiempo en cortocircuitoV gmV gmrr V+-V+ -) (1 r R R R p i + =1 111C RL = 2 1 R R RP =J.J. Garca344.5.1 Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.V gmrV+ -V gmr V+-C L R R R + =22 221C RL = Ejemplo del Mtodo de las constantes de tiempo en cortocircuitoRespuesta en frecuencia. Baja frecuencia.J.J. Garca354.5.1 Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.V gmrV+ -||.|</p> <p>\|+ +=1) (3 r R RR R P iEV gmrV+ -R3ELC R33 1= Ejemplo del Mtodo de las constantes de tiempo en cortocircuitoRespuesta en frecuencia. Baja frecuencia.J.J. Garca364.5.1 Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.Ejemplo del Mtodo de las constantes de tiempo en cortocircuito 100101102103104-30-20-100102030405020 log A(s) (dB)Frecuencia (Hz)mS gk rm31 . 61388 . 21== = = = =8 . 1568912321R k R k Rs rad s radC R C R C Rn LsimulaciLL/ 3041/ 3188 6 . 5 6 . 411 1 13 3 2 2 1 1= + + =+ + =4 4 4 4 4 4 4 3 4 4 4 4 4 4 4 2 1Hz F C s rad s radC R C R C RLsimuladaLL LL3928 / 8 . 35) / ( 50 2 6 . 5 6 . 411 1 13 333 3 2 2 1 1= = = = + + =+ + = u Respuesta en frecuencia. Baja frecuencia.J.J. Garca374.5.2 Respuesta en frecuencia. Alta frecuencia. rb:resistencia de difusin de la base. Valores pequeos (1-100) y muy difcil de medir.ro: resistencia debida a la modulacin de ancho de base. Slo se incluir en algunos casos en los que su efecto es importanteRespuesta en frecuencia. Modelo de alta frecuencia.J.J. Garca384.5.2 Respuesta en frecuencia. Alta frecuencia.Cu: capacidad de pequea seal o incremental de la unin de base-colector inversamente polarizada definida como:C: incluye las capacidades de deplexin y difusin asociadas con la unin directamente polarizada base-emisor.MjoBCjoBCdepVvCdvdQC||.|</p> <p>\|= =1uCjo: capacidad a tensin 0M: coeficiente de gradienteVjo: potencial de barreraRespuesta en frecuencia. Modelo de alta frecuencia.J.J. Garca394.5.2 Respuesta en frecuencia. Alta frecuencia.Para evaluar las limitaciones intrnsecas del transistor calculamos la ganancia en corriente del transistor teniendo en cuenta las capacidades internas.( ) u V C j g i m c =</p> <p>+ + = u C j C jrV ib1( )u u u C C jrgC j C jrC j g mm+ + + + =1 1) ( j +=1) (Respuesta en frecuencia. Frecuencia de ganancia unidad.J.J. Garca404.5.2 Respuesta en frecuencia. Alta frecuencia. j +=1) (El BJT funciona satisfactoriamente en un amplio margen de frecuencias. Sin embargo, a partir de la frecuencia de corte de , la ganancia en corriente del transistor comienza a deteriorarse. A una frecuencia con ganancia unidad (f) se limita seriamente la utilidad del transistor como amplificador. =1 ) ( 21= fRespuesta en frecuencia. Frecuencia de ganancia unidad.J.J. Garca41Clculo de la funcin de transferencia. Aplicable en el caso de circuitos simples con ceros y polos que no interaccionen entre s.Aproximacin Miller. La...</p>