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• jhon lopez

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6. Circuitos de Polarización para BJT Electrónica Analógica

Circuitos de Polarización para BJT Temas: • El punto de operación en cd • Polarización por medio de un divisor de voltaje

• Otros métodos de polarización

Circuitos de Polarización para BJT Objetivos • Discutir el concepto de polarización en cd de un amplificador lineal • Analizar un circuito de polarización que utiliza un divisor de voltaje

• Analizar un circuito de polarización del emisor, un circuito de polarización de la base, un circuito de polarización con realimentación del emisor y un circuito de polarización con realimentación del colector

El Punto de Operación en DC • Un transistor debe ser apropiadamente polarizado con un voltaje de cd para que opere como amplificador lineal. • Se debe ajustar el punto de operación en cd de modo que las variaciones de la señal en la terminal de entrada se amplifiquen y reproduzcan con precisión en la terminal de salida. • Como aprendimos, cuando se polariza un transistor se establece el voltaje de cd y los valores de corriente. Esto significa, por ejemplo, que en el punto de operación en cd, IC y VCE tienen valores especificados. El punto de operación en cd a menudo se conoce como punto Q.

El Punto de Operación en DC Polarización en DC

El Punto de Operación en DC Polarización en DC • La polarización establece el punto de operación en cd (punto Q) para la operación lineal apropiada de un amplificador. Si un amplificador no se polariza con voltajes de cd correctos a la entrada y salida, puede irse a saturación o a corte cuando se aplique una señal de entrada. • La figura muestra los efectos de la polarización en cd apropiada e inapropiada de un amplificador inversor.

• En la parte (a), la señal de salida es un réplica amplificada de la señal de entrada excepto porque está invertida, lo que significa que está desfasada 180° con respecto a la entrada. La señal de salida oscila del mismo modo por encima y por debajo del nivel de polarización en cd de la salida, VCD(sal). • Una polarización inapropiada puede distorsionar la señal de salida, como se ilustra en las partes (b) y (c). • La parte (b) ilustra cómo la parte positiva del voltaje de salida se limita debido a que el punto Q (punto de operación en cd) está demasiado cerca del corte. • La parte (c) muestra cómo la parte negativa del voltaje de salida se limita debido a que el punto de operación en cd se encuentra demasiado cerca de la saturación.

El Punto de Operación en DC Polarización en DC. Análisis Gráfico

El Punto de Operación en DC Polarización en DC. Análisis Gráfico

El Punto de Operación en DC Polarización en DC. Análisis Gráfico

El Punto de Operación en DC Polarización en DC. Análisis Gráfico

El Punto de Operación en DC Polarización en DC. Recta de Carga en DC

El Punto de Operación en DC

Polarización en DC. Recta de Carga en DC • La operación en cd de un circuito con un transistor se describe gráficamente con una recta de carga en cd. Ésta es una recta sobre las curvas características desde el valor de saturación donde IC = IC(sat) sobre el eje y hasta el valor de corte donde VCE = VCC sobre el eje x, como se muestra en la figura (a). • El circuito externo (VCC y RC) determina la recta de carga, no el transistor mismo, lo cual es descrito por las curvas características. La ecuación para IC es:

• Ésta es la ecuación de una línea recta con una pendiente de -1/RC, una intersección x de VCE = VCC y una intersección y de VCC/RC, la cual es IC(sat). • El punto donde la recta de carga corta una curva característica representa al punto Q con ese valor particular de IB.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización en DC. Operación Lineal

• La región a lo largo de la recta de carga que incluye todos los puntos entre los estados de saturación y corte en general se conoce como región lineal de la operación del transistor. • En tanto el transistor opere en esta región, el voltaje de salida es idealmente una reproducción lineal de la entrada.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización en DC. Operación Lineal

Circuitos de Polarización para BJT Polarización en DC. Distorsión de la Forma de Onda • Como se mencionó, en ciertas condiciones de señal de entrada la ubicación del punto Q sobre la recta de carga puede hacer que un pico de la forma de onda Vce se limite o recorte, como se muestra en las partes (a) y (b) de la figura. • En ambos casos, la señal de entrada es demasiado grande para la ubicación del punto Q y lleva al transistor al estado de corte o saturación durante una parte del ciclo de entrada. • Cuando ambos picos están limitados como en la figura (c), el transistor se lleva tanto a saturación y como a corte por una señal de entrada excesivamente grande. • Cuando sólo el pico está limitado, el transistor se lleva hacia corte pero no hacia saturación. Cuando sólo el pico negativo está limitado, el transistor se lleva a saturación pero no a corte.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización en DC. Distorsión de la Forma de Onda

Circuitos de Polarización para BJT Polarización en DC. Distorsión de la Forma de Onda

Circuitos de Polarización para BJT Polarización en DC. Distorsión de la Forma de Onda

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión • Hasta este punto se utilizó una fuente de cd aparte, VBB, para polarizar la unión base-emisor porque podía ser variada independientemente de VCC y sirvió para ilustrar la operación de un transistor. Un método de polarización más práctico es utilizar VCC como fuente de polarización única, como muestra la figura. • Para simplificar el esquema, el símbolo de batería se omite y reemplaza con una línea que termina en un círculo con un indicador de voltaje (VCC), como se muestra. • Un voltaje de polarización en cd en la base del transistor puede ser desarrollado por un divisor de voltaje resistivo compuesto de R1 y R2 , como muestra la figura. VCC es el voltaje de alimentación de cd en el colector. • Existen dos trayectorias para la corriente entre el punto A y tierra: una a través de R2 y la otra a través de la unión base-emisor del transistor y RE.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión • En general, los circuitos de polarización con divisor de voltaje se diseñan de modo que la corriente en la base sea mucho menor que la corriente (I2) que pasa a través de R2 en la figura. • En este caso, es muy fácil analizar el circuito divisor de voltaje porque el efecto de carga de la corriente en la base puede ser ignorado. • Se dice que un divisor de voltaje en el que la corriente en la base es pequeña, comparada con la corriente en R2, es un divisor de voltaje rígido porque el voltaje en la base es relativamente independiente de los diferentes transistores y efectos de temperatura.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión • Idealmente, un circuito divisor de voltaje es rígido, lo que implica que el transistor no aparece como una carga significativa. • El diseño de cualquier circuito implica intercambios; uno de ellos es que los divisores de voltaje rígidos requieren resistores más pequeños, que no siempre son deseables a causa de los potenciales efectos de carga en otros circuitos, además de requerimientos de potencia agregados. • Si el diseñador del circuito deseara elevar la resistencia de entrada, el divisor podría no ser rígido y requeriría un análisis más detallado para calcular parámetros de circuito.

• Para determinar si el divisor es rígido, es necesario examinar la resistencia de salida de cd viendo hacia la base, como muestra la figura.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión

Circuitos de Polarización para BJT

Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Efectos de carga de la polarización con divisor de voltaje • Resistencia de entrada de cd en la base del transistor: La resistencia de entrada de cd del transistor es proporcional a bCD, así que cambiará para los diferentes transistores. Cuando un transistor opera en su región lineal, la corriente en el emisor es bCDIB. • Cuando el resistor en el emisor es visto desde el circuito de la base, el resistor parece ser más grande que su valor real por un factor de bCD debido a la ganancia de corriente en el transistor. Es decir, RENT(BASE) = bCDRE • Esta es la carga efectiva en el divisor de voltaje ilustrado en la figura. El efecto de carga puede ser estimado de inmediato comparando bCDRE con el resistor R2 en el divisor de voltaje. • En tanto bCDRE sea por lo menos diez veces más grande que R2, el efecto de carga será de 10% o menos y el divisor de voltaje será rígido. Si bCDRE es menos de diez veces menor que R2 deberá combinarse en paralelo con R2.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Efectos de carga de la polarización con divisor de voltaje

• Resistencia de entrada de cd en la base del transistor:

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión • Estabilidad de la polarización con divisor de voltaje

• Para analizar un circuito con transistor polarizado utilizando un divisor de voltaje en cuanto a efectos de carga de la corriente en la base, se aplica el teorema de Thevenin. • Se utilizará este método para evaluar el circuito. En primer lugar, se obtiene un circuito baseemisor equivalente del circuito de la figura (a) por medio del teorema de Thevenin. • Viendo hacia fuera desde la terminal base, el circuito de polarización puede ser redibujado como muestra la figura (b). Aplique el teorema de Thevenin al circuito a la izquierda del punto A, con VCC reemplazado por un corto a tierra y el transistor desconectado del circuito. El voltaje en el punto A con respecto a tierra y la resistencia es:

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión • Estabilidad de la polarización con divisor de voltaje

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Transistor pnp polarizado con un divisor de voltaje.

• Un transistor pnp requiere polaridades opuestas a las del npn. Esto se logra con un voltaje de alimentación negativo en el colector, como en la figura (a), o con un voltaje de alimentación positivo en el emisor, como en la figura (b). • En un esquema, el pnp con frecuencia se traza invertido, de modo que la línea de voltaje de alimentación pueda ser trazada a través de la parte superior del esquema y la tierra en la parte inferior. • El procedimiento de análisis es básicamente el mismo que para el circuito de transistor npn.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Transistor pnp polarizado con un divisor de voltaje.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Transistor pnp polarizado con un divisor de voltaje.

• Para un divisor de voltaje rígido (ignorando los efectos de carga), el voltaje en la base es

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Transistor pnp polarizado con un divisor de voltaje.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización por Medio de un Divisor de Tensión Transistor pnp polarizado con un divisor de voltaje.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización del Emisor

Circuitos de Polarización para BJT Polarización del Emisor

Circuitos de Polarización para BJT Polarización del Emisor

Circuitos de Polarización para BJT Polarización del Emisor • La polarización del emisor proporciona una excelente estabilidad de polarización pese a los cambios de b o temperatura. Utiliza voltaje de fuente tanto positivo como negativo. • Para obtener una estimación razonable de los valores de cd clave en un circuito polarizado por el emisor, el análisis es bastante fácil. • En un circuito npn, tal como el mostrado en la figura, la pequeña corriente en la base hace que el voltaje en ésta se reduzca un poco por debajo de tierra. • El voltaje en el emisor es la caída de un diodo menor que éste. La combinación de esta pequeña caída a través de RB y VBE hace que el emisor esté aproximadamente a -1V.

• Con esta aproximación, la corriente en el emisor se obtiene como:

Circuitos de Polarización para BJT Polarización del Emisor • Se puede aplicar la aproximación de que IC ≈ IE para calcular el voltaje en el colector

• La aproximación de que VE ≈ -1V es útil para solucionar fallas porque no es necesario realizar cálculos detallados. • Como en el caso de polarización por medio de divisor de voltaje, existe un cálculo más riguroso en los casos en los que se requiere un resultado más exacto.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización del Emisor • La aproximación de que VE ≈ -1V y la omisión de bCD pueden no ser suficientemente precisas para un diseño o análisis detallado. • En este caso se aplica la ley de voltaje de Kirchhoff, como se describe a continuación, para desarrollar una fórmula más detallada para IE. • La ley de voltaje de Kirchhoff aplicada alrededor del circuito base-emisor de la figura (a), el cual se volvió a trazar en la parte (b) para su análisis, da la siguiente ecuación:

Circuitos de Polarización para BJT Polarización del Emisor

Circuitos de Polarización para BJT Polarización del Emisor

Circuitos de Polarización para BJT Polarización de la Base

Circuitos de Polarización para BJT Polarización de la Base • Este método de polarizar es común en circuitos de conmutación. La figura muestra un transistor polarizado por la base. • El análisis de este circuito en la región lineal muestra que depende directamente de bCD. Comenzando con la ley de voltaje de Kirchhoff alrededor del circuito de la base,

Circuitos de Polarización para BJT Polarización de la Base • La ley de voltaje de Kirchoff aplicada alrededor del circuito colector de la figura proporciona la siguiente ecuación:

Circuitos de Polarización para BJT Polarización de la Base Estabilidad del punto Q con la polarización de base.

• Observe que la IC depende de bCD. La desventaja de esto es que una variación de bCD hace que IC, y consecuentemente VCE, cambien, modificando así el punto Q del transistor. • Esto hace que el circuito de polarización de la base sea extremadamente dependiente de b y, por tanto, también sea impredecible. • Recuerde que bCD varía con la temperatura y la corriente en el colector. Además, existe una gran dispersión de los valores de bCD de un transistor a otro del mismo tipo debido a variaciones de fabricación.

• Por estas razones, rara vez se utiliza la polarización de la base en circuitos lineales; se describe aquí para que usted se familiarice con ella.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización con Realimentación del Emisor

Circuitos de Polarización para BJT Polarización con Realimentación del Emisor • Si se agrega un resistor en serie con el emisor al circuito de polarización de la base, el resultado es la polarización con realimentación del emisor, como muestra la figura. • La idea es ayudar a hacer la polarización de la base más predecible con realimentación negativa, la cual anula cualquier cambio intentado de la corriente en el colector con un cambio opuesto del voltaje en la base. • Si la corriente en el colector trata de incrementarse, el voltaje en el emisor se incrementa, lo que aumenta el voltaje en la base porque VB = VE + VBE. • Este incremento del voltaje en la base reduce el voltaje a través de RB, reduciendo así la corriente en la base y evitando que la corriente en el colector se incremente.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización con Realimentación del Emisor • Algo similar ocurre si la corriente en el colector trata de reducirse. En tanto que esto es mejor para circuitos lineales que la polarización de la base, sigue dependiendo de bCD y no es tan predecible como la polarización por medio de divisor de voltaje. • Para calcular IE se puede escribir la ley de voltaje de Kirchhoff (LVK) alrededor del circuito de la base.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización con Realimentación del Colector

Circuitos de Polarización para BJT Polarización con Realimentación del Colector • En la figura el resistor RB en serie con la base está conectado al colector y no a VCC, como se hizo en la configuración de polarización de la base. • La realimentación negativa crea un efecto de “compensación” que tiende a mantener el punto Q estable. • Si IC trata de incrementarse, más voltaje cae a través de RC, lo que produce una disminución en VC. Cuando VC se reduce, el voltaje a través de RB se reduce, lo que hace que IB se reduzca. La reducción de IB produce menos IC, la que a su vez hace que caiga menos voltaje a través de RC y por lo tanto compensa la reducción de VC.

Circuitos de Polarización para BJT Polarización con Realimentación del Colector

Circuitos de Polarización para BJT Polarización con Realimentación del Colector

Circuitos de Polarización para BJT

Polarización con Realimentación del Colector

Estabilidad del punto Q con respecto a la temperatura.

• La corriente en el colector depende en cierto grado de bCD y VBE. Esta dependencia, desde luego, puede ser reducida al mínimo si se hace RC >> RB/bDC y VCC >> VBE .Una característica importante de la polarización con realimentación del colector es que esencialmente elimina la dependencia de bCD y VBE, incluso si las condiciones especificadas se satisfacen. • bCD varía directamente con la temperatura y VBE varía inversamente con la temperatura. A medida que la temperatura se eleva en un circuito con realimentación del colector, bCD se eleva y VBE se reduce. • El incremento de bCD actúa para incrementar IC. La reducción de VBE actúa para incrementar IB la que, a su vez también actúa para incrementar IC. En el momento en que IC trata de incrementarse, la caída de voltaje a través de RC también lo hace. • Esto tiende a reducir el voltaje en el colector y consecuentemente al voltaje a través de RB, reduciéndose así IB y compensando el incremento intentado de IC y la reducción intentada de VC. El resultado es que el circuito con realimentación del colector mantiene un punto Q relativamente estable. • Cuando la temperatura se reduce ocurre la acción inversa.