Amplificador colector común

OBJETIVO:

-Estudiar y analizar el funcionamiento de un amplificador colector común ó emisor seguidor.

-Verificar sus parámetros y aplicaciones del amplificador colector común.

CONCEPTOS BASICOS:Transistores:

Al ser el transistor bipolar un dispositivo triterminal son necesarios seis parámetros para determinar el estado eléctrico del mismo: tres tensiones y tres corrientes. Aplicando las leyes básicas de resolución de circuitos pueden presentarse dos ecuaciones:

Por ello, los parámetros independientes se reducen a cuatro. En un circuito determinado y bajo la acción de unas excitaciones concretas, existirán unos valores de estos cuatro parámetros que caracterizan por completo el estado del transistor. Dicho cuarteto se denomina punto de operación (Q).

Las curvas características más empleadas en la práctica son las que relacionan VBE con IBy VCE con IC e IB. Con frecuencia, estas curvas son facilitadas por los fabricantes.

Características VCE-IC

Estas características también son conocidas como familia de colector, ya que son las correspondientes a la tensión e intensidad del colector. En la siguiente figura, se muestran una familia de curvas de colector para diferentes valores constantes de la corriente base.

Las diferencias son claras:

En la Región Activa la corriente del colector no es totalmente independiente de la tensióncolector-emisor. Para valores altos de la corriente cobra importancia la resistencia interna del transistor.

La región de saturación no aparece bruscamente para VCE=0, sino que hay una transición gradual. Típicamente se suele considerar una tensión de saturación comprendida

entre 0.1V y 0.3V.

Recta de carga del transistor

Hemos de conocer el comportamiento del transistor trabajando con una determinada resistencia de carga y averiguar el punto de funcionamiento del mismo. Para ello, trazamos la recta de carga del transistor en las curvas de colector para poder determinar los puntos de funcionamiento.

Para determinar la corriente que circula por el colector (emisor común), podemos aplicar la ley de Ohm entre los extremos de la resistencia de carga RL. La tensión aplicada a esta resistencia se corresponderá con la tensión total aplicada por la fuente VCC menos la caída de tensión que se produce entre el colector y el emisor VCE. De esta forma obtendremos la siguiente expresión, que se corresponderá con la ecuación de la recta de carga:

Para dibujar esta recta sobre la cruva característica, lo primero que hay que hacer es encontrar sus extremos (IC=0 y VCE=0).

Para VCE=0

Para IC=0

Llevando estos valores a la curva característica de colector, obtendremos la recta de carga para una determinada resistencia de carga RL y una fuente VCC.

A lo larga de esta recta se pueden distinguir tres partes fundamentales: puntos de corte, punto de saturación, punto de trabajo.

El punto de corte es donde la línea de carga corta a la curva correspon-diente a la corriente de base igual a cero (IB=0). Dada la escasa polarización directa a que queda sometido el diodo de emisor-base, la corriente que aparece por el colector es prácti-camente nula (sólo circula una pequeñísima corriente de fuga ICEO). Haciendo una

aproximación, se puede decir, sin equivocarse mucho, que el punto de corte se da en la intersección de la recta de carga con el eje horizontal, es decir cuando VCecorte=VCC.

El punto de saturación aparece donde la línea de carga corta a la intensidad de base de saturación. En este punto, la corriente de colector es la máxima que se puede dar para la operación de transistor, dentro de los límites de la recta de carga. Haciendo una aproximación, se puede decir que el punto de saturación aparece en la intersección de la recta de carga con el eje vertical, es decir, cuando:

Para corrientes de base superiores a la de saturación se produce también el efecto de saturación en el transistor.

El punto de trabajo es aquél donde el transistor trabaja de una forma normal y que, normalmente, se encuentra entre la zona de corte de saturación. Para determinar el punto de trabajo (Q) de transistor para una determinada corriente de base (IB), se busca el punto de intersección de la recta de carga con la curva correspondiente a dicha corriente de base.

Por último, hay que indicar que, cuando se diseña un circuito para un transistor, se tiene que procurar que el transistor nunca opere por encima de la curva de potencia máxima. Esto se consigue eligiendo valores adecuados de la tensión de fuente VCC y de la resistencia de carga RL, de tal forma que la recta de carga trazada con dichos valores, esté siempre por debajo de la curva de potencia máxima. En la figura siguiente, es esquematiza esta situación:

Configuración colector común:

La terminología de CC se deriva del hecho que el colecto es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración.

El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida.

Para describir el comportamiento de la configuración CC, se requiere de dos conjuntos de características:

Parámetros de entrada: Se relaciona la corriente de entrada (Ib) con el voltaje de entrada (Vbe) para varios niveles de voltaje de salida (Vce).

Parámetros de salida: Se relaciona la corriente de salida (Ie) con el voltaje de salida (Vce) para varios niveles de corriente de entrada (Ib).

Parámetros de transistores:

E.C CC BCAv( ganancia de voltaje) Media-alta baja AltoAi (ganancia de corriente) Media-alta Alta BajoZi Media Alta BajoZc Media Baja Altofase 180 ° Fase fase

DESCRIPCION BASICA - AMPLIFICADOR COLECTOR COMÚN:

Este circuito de colector común recibe el nombre de seguidor emisor debido a que la tensión en el emisor sigue las variaciones de la tensión en la base. Esta disposición ofrece una gran ventaja: la baja distorsión que presenta. La distorsión de entrada, queda prácticamente eliminada al no estar desacoplada en alterna la resistencia de emisor. Por tanto en esta disposición la distorsión a efectos prácticos se haría presente sólo en el caso de que Vi presentará una amplitud exagerada capaz de sacar al transistor de la zona lineal, tanto a la región de corte como a la de saturación.

La principal aplicación de esta configuración es la de adaptar impedancia, ya que la mejor transferencia de señal entre dos etapas de un circuito se consigue cuando sus impedancias estan bien equilibradas.

Equipos y materiales de laboratorio:

- Osciloscopio - Generador de funciones - Fuente de alimentación - 1 Multímetro digital - 1 Transistor BC107B o equivalente.

- 3 Resistencias (½W) : 2.2K, 2 x 10K - 3 Potenciómetros: 100, 50K, 100K - 2 Condensadores (25V) : 22uF, 47uF - 1 Tablero de conexión -Cable de conexión banana –cocodrilo.

PROCESO OPERATIVO:

1. Arme el circuito de la figura 6-1.

2. Conecte un voltímetro entre emisor y colector, varíe P hasta obtener una lectura VCE = 10V.

3. Mida los voltajes VE, VB y VC. Anote el valor de P.

VE = 10.7 v

VB = 10.93 v

VC = 20.35 v

P = 1.54 k

VOLTAJE DE EMISOR: POR MULTISIM

VOLTAJE DE LA BASE POR MULTISIM

VOLTAJE DE COLECTOR POR MULTISIM

4. Aplique mediante un generador de baja frecuencia una Vi = 100mVpp a 1KHz.

5. Conecte ambos canales del osciloscopio a la entrada y salida respectivamente. Medir Vi y Vo. Dibuje ambas formas de onda y observe la relación de fase. Anote ambos datos en la tabla 6.1

Onda Vo por multisim

Onda vi por multisim

Entrada

salida

Av Zi Zo Ai Ap desfase

CUESTIONARIO:

1. Explique en forma breve las características de la configuración colector común.

La configuración de colector común se emplea fundamentalmente para propósitos de acoplamiento de impedancia ya que tiene una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, que es lo opuesto a las configuraciones de base común y de emisor común.

En el circuito de entrada de la configuración de colector común, las características de la base de emisor común son suficientes para obtener la información que se requiera.

2. Mencione las características principales dadas por el fabricante para el transistor BC 107

Code StructureCasestyle

IC

max.VCE

max.hFE

min.Ptot

max.Category

(typical use)Possible

substitutes

BC107 NPN TO18 100mA 45V 110 300mW Audio, low power BC182 BC547

3. Explique por qué no se desacopla el emisor en una configuración colector

común. La entrada de señal se produce por la base y la salida por el emisor, en vez de por el colector como en el resto de los circuitos. El terminal común para la entrada y la salida es el colector, como su nombre indica. Si la unión base emisor está polarizada directamente, el transistor va a conducir, mientras que si está inversamente polarizada no lo hará. Porque el emisor sigue a la base, lo que quiere decir que la tensión que le apliquemos a la base va a ser reproducida por el emisor. 

Para explicar este fenómeno supongamos primero que el emisor no tiene conectada dicha resistencia, y que la base tampoco tiene una resistencia entre ella y la tensión de entrada, olvidándonos de lo que tiene el resto del circuito: si la tensión de entrada a la base es más positiva que la tensión del emisor, por ejemplo un emisor conectado a 3 voltios y una base a 3,5 voltios, la unión base emisor se encontraría polarizada inversamente y el transistor no va a conducir, estará al corte. Sin embargo, si la base es

más negativa (o menos positiva) que el emisor, por ejemplo una base a 2,9 voltios, el transistor empieza a conducir. Pero la tensión de la base no puede bajar más que un par de décimas para que el transistor siga funcionando en la región activa, ya que el emisor está conectado fijo a un potencial y, al no tener una resistencia de emisor, la diferencia no puede ser mayor; en este caso la base tiene que seguir lo que "impone" el emisor para que el transistor funcione. Si colocamos la resistencia de emisor, como sucede en un circuito de colector común y, por ejemplo, tenemos al emisor a una tensión de +3 voltios, la base tiene que ser más negativa para que el transistor conduzca, al tener que estar la unión base emisor polarizada directamente.

La diferencia con el caso en el que no teníamos resistencia de emisor es que ahora la base va a tener mucho más rango de valores válidos de tensión para que el transistor conduzca. Si está por ejemplo a +2,5 voltios, se va a establecer una corriente de base, IB, y, por lo tanto, una corriente de emisor, Ie. Al circular esta Ie por la resistencia, RE, el potencial de emisor va a hacerse más negativo (o menos positivo debido a la caída de potencial que se produce al atravesar una resistencia); por lo tanto, en este caso, el emisor está siguiendo a la base, ya que al hacer a la tensión de base más negativa, la tensión del emisor se ha hecho más negativa también.

Por lo tanto, podemos decir que la configuración de colector común es un seguidor de emisor.

4. Compare los valores teóricos con los obtenidos experimentalmente de AV, Ai, Zi, Zo

5. Indique las fórmulas para calcular AV, Zi y Zo.

Este circuito no tiene resistencia en  el colector y la salida está conectada a la resistencia del emisor (ver la figura). El voltaje se salida "sigue" al voltaje en el emisor, sólo que es de un valor ligeramente menor (0.6 Voltios aproximadamente) Ve = Vb - 0.6 Voltios La ganancia de tensión es: Av = Vout / Vin = Ve / Vb. Como Ve es siempre menor que Vb, entonces la ganancia siempre será menor a 1.La impedancia de entrada se obtiene con la siguiente fórmula: Zin = (β + 1) x Re Donde: β  es la ganancia de corriente del transistor (dato del fabricante) del gráfico anterior. El amplificador emisor seguidor (ES), o colector común (CC. Su salida se toma de emisor a tierra en vez de tomarla de colector a tierra, como en el caso del EC. Este tipo de configuración para el amplificador se utiliza para obtener una ganancia de corriente y ganancia de potencia.

El EC tiene un desfasamiento de 180 entre las tensiones de base y colector. Esto es, conforme la señal de entrada aumenta de valor, la señal de salida disminuye. Por otra parte, para un Es, la señal de salida esta en fase con la señal de entrada. El amplificador tiene una ganancia de tensión ligeramente menor que uno. Por otro lado, la ganancia de corriente es significativamente mayor que uno.

6. Grafique la recta de C.C y C.A indicando la máxima señal de salida sin distorsión.

7. ¿Cuál es la función del potenciómetro P en el circuito? El potenciómetro varia la amplitud de la señal. La función del potenciómetro es la de divisor de voltaje, es decir el potenciómetro varia el voltaje que entra al transistor, por ende actúa como medidor. Y variador.

Conclusiones y observaciones