6.1- diseño de amplificadores de señal con bjt

7/21/2019 6.1- Diseño de Amplificadores de Señal Con BJT

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Dr. Leobardo Hernández González

1

5.- Diseño de amplificadores de señal con BJT

a) Emisor Común

b) Base Común

c) Colector Común




2

5.1. Ubicación grafica del punto Q para Máxima Excursión

Simétrica de Salida, M.E.S.S.En la Figura 5.1, se muestra la ubicación del punto de operación (ICQ,VCEQ) para lograr

una máxima amplificación sin distorsión simétrica a la salida, en un amplificador clase A.

Figura 5.1. Ubicación

optimizada del punto Q.




3

Las expresiones para ubicar el punto Q a media recta de carga, se presentan a continuación.

CC CQ

CA CD

V I

R R

Donde:

representa la resistencia de la recta de carga en condiciones de

representa la resistencia de la recta de carga en condiciones de

CA

CD

R CA

R CD

El valor particular de RCA y RCD, depende de la configuración del transistor (EC, BC y

CC).

1

CC CEQ

CA CD

V V

R R

' 2CC CEQV V 2

CMAX CQ I I '

CMAX

CC

CD

V I

R

'

0 2 MAXpp C L CC V ICQ R R V




4

Teorema de Máxima Transferencia de Potencia, T.M.T.P.

Analizando el circuito eléctrico que se muestra en la Figura 5.5. la potencia en la carga

esta determinado por la expresión:

2 2

2

2

IN L IN L L L

g L g L

V RV P I R R

r R r R

La máxima transferencia de potencia se determinacon la condición::

2

2

2

2

2 22 2

2

0

22 g

g L L g L L

L L L IN

L g L

g L g L L g L L IN IN

L g L

d r RdRr R R

dP dR dRV

dR r R

r r Rr R R r RdP V V

dR r R

2 2 L g L R r R

2

2

20

L

g L

R

r R

2 20

g L g Lr R r R

T.M.T.P

Figura 5.2.

“La resistencia de salida del generador

debe de ser igual a la carga para

máxima transferencia de potencia”




5.2. Derivación de ecuaciones de diseño del Amplificador Emisor

Común para modelo de parámetros híbridos

5

Figura 5.3 Amplificador Emisor-Común Figura 5.4. Parámetros h del BJT Emisor-Común

En la Figura 5.3, se muestra el circuito eléctrico que se analizará para desarrollar lasecuaciones de diseño, y en la Figura 5.4 se muestra el equivalente en parámetros h del BJT

en configuración Emisor-Común.




6

En la Figura 5.5, se muestra el circuito eléctrico equivalente en parámetros híbridos para el

amplificador emisor-común. Las condiciones que se aplican con:

Figura 5.5. Equivalente eléctrico del Amplificador Emisor-Común con BJT

1 2 0

( )

C C

CC

X X

V se pone a tierra virtualmente GND




7

En la Figura 5.6, se muestra el circuito eléctrico equivalente simplificado, a partir de las

siguientes condiciones:6

1 2

1 2

0, 10re oe

TH

h h S

R R R

R R

Figura 5.6. Equivalente simplificado de la Figura 5.3.




8

Se desarrolla primero la expresión para el calculo de la resistencia de entrada, R IN.

IN IN TH ie fe E

IN

TH ie fe E IN IN

IN TH ie fe E

V R R h h R I

R h h RV R

I R h h R

Se desarrolla la expresión para el calculo

de GV. Se analiza la malla de entrada por

divisor de corriente, obteniéndose:

TH inb

TH ie fe E

R I i

R h h R

Analizando la malla de salida por

divisor de corriente, se obtiene:

C fe bC C L

C L C L

R h I R I i

R R R R

C L fe C L fe TH C L fe TH inO L L b in

C L TH ie fe E TH ie fe E in

C L fe TH O

in

R R h R R h R R R h R V V i R I I

R R R h h R R h h R R

R R h RV

V

TH ie fe E R h h R

TH ie fe E R h h R

TH R

C L fe

V

ie fe E ie fe E

R R hG

h h Rh h R




9

C L

V ie

E

fe

R RG

h R

h

Finalmente, se obtiene la expresión:

De la expresión de GV, se puede concluir que la ganancia de voltaje depende

directamente del valor que tome R E.

0 E V si R entonces G Problema: Se pierde estabilidad con

respecto a cambios de hfe

La solución es poner un capacitor de paso que divida a R E en R E1 y R E2, como seobserva en la Figura 5.7. La nueva expresión para el calculo de GV queda como:

1

1 2

1 2

1 2 2

1

Determina la estabilidad

Determina la ganancia de voltaje

CD

CA

CA

C L

V ie

E

fe

E E E

E E E

E E CE E CE E

E E

R RG

h R

h

R R R

en CD R R R

en CA R R X R si X R

R R

Figura 5.7.




10

Analizando la malla de salida , se puede obtener la expresión para R O.

La resistencia que se observa es el paralelo de R C y

la resistencia de la fuente de corriente hfeI b. Como

la fuente de corriente es ideal, entonces se cumple:

O C R R

Resumen de ecuaciones de diseño para configuración Emisor-Común

TH ie fe E

IN

TH ie fe E

R h h R R

R h h R

1

C L

V

ie fe E

R RG

h h R

O C R R 1 2

CA E E CE E R R para X R

El signo menos indica

desfasamiento de

180°0




11

5.3. Derivación de ecuaciones de diseño del Amplificador Emisor Común

para modelo de transconductancia

En la Figura 5.8a y 5.8b, se muestra el circuito eléctrico equivalente a utilizar.

Figura 5.8. a) Modelo de transconductancia, b) equivalente eléctrico del amplificador

emisor-común




12

Resistencia de entrada, R IN.

IN IN TH fe E

IN

TH fe E

IN

TH fe E

V R R r h R

I

R r h R R

R r h R

Ganancia de voltaje, GV

yC LO L L m be be b

C L

in TH b

TH fe E

R RV R i g v v r i

R R

V Ri

R r h R

TH fe E R r h R

Vin TH be

TH fe E TH fe E

O TH C L m

in

V R sustituyendo en v y o

R r h R R r h R

V R R R g r

V

TH R

m C L

m E m E

g r R R

r g r R r g r R

El signo menos indica

desfasamiento de

180°0




13

Resistencia de salida, R O.

O C R R

Comparación de ecuaciones de diseño para configuración Emisor Común

párametros h transconductancia




14

Ejercicio 5.1

Calcúlese los valores de componentes adecuados para diseñar un amplificador emisor-

común con los siguientes datos: GV=20, Rin no es condición, VCC=12V, R L=1k Ω, lacorriente de reposo en colector será de 10mA. El transistor a utilizar presenta los

siguientes parámetros: hfe_min=100, hfe_nom=173, hie=300Ω, VA=200V. utilice los dos

modelos vistos y no considere M.E.S.S como primer aproximación.

Solución: Parámetros h.

Se calcula primero el valor de R E_CD para ubicar el punto de operación ICQ=10mA, como

no se considera M.E.S.S se toman inicialmente las siguientes condiciones para facilidad

de diseño:

_

_

_

_

12V 12 = 6 1.2

2 2 10 101.2

12010

12 1.2 6480

10

CC CC CEQ RE CD

RE CD

E CD

CQ

CC RE CD CEQ

C

CQ

V V V V V y V V

V V R

I mA

V V V V V V R

I mA




15

1

1

2 _ 1

480 1 300

20 100

13.21

120 13.21 106.78

C L ie E

V fe

E

E E CD E

R R k h R

G h

R

R R R

1

1

1200 300 100 13.21

1200 300 100 13.21

689.54

TH ie fe E

IN

TH ie fe E

IN

IN

R h h R R

R h h R

R

R

_

_

0.1

0.1 100 120

1200

101200 0.7 1.2

100

2.02

TH fe E CD

TH

TH

CQ

TH TH be RE CD

fe

TH

TH

R h R

R

Ri

V R V V h

mAV V V

V V

1

2

1200 12

7.122.02

12001.44

2.021 1

12

TH CC

TH

TH

TH

CC

R V V

R k V V

R R k

V V

V V

Se calcula el valor de R E1 para ajustar la GV solicitada.

480O C R R




16

Solución: Parámetros de transconductancia

_

_

_

_

12V 12

= 6 1.22 2 10 10

1.2120

10

12 1.2 6480

10

CC CC

CEQ RE CD

RE CD

E CD

CQ

CC RE CD CEQ

C

CQ

V V V

V V y V V

V V R

I mA

V V V V V V R

I mA

_

_

0.1 0.1 100 120 1200

101200 0.7 1.2 2.02

100

TH fe E CD

CQ

TH TH be RE CD

fe

R h R

i mAV R V V V V V

h

1

2

1200 127.12

2.02

12001.44

2.021 1

12

TH CC

TH

TH

TH

CC

R V V R k

V V

R R k

V V

V V




17

0

25.8 25.8 100258

10

10 38725.8 25.8

20020

10

b

CQ

m

A

CQ

mV mV r

i mA

I mA mA g V mV mV

V V r k

I mA

1

2 _ 1

480 11 1 13.6320 387

120 13.63 106.37

C L

E

V m

E E CD E

R R k RmAG g

V

R R R

1200 258 100 13.63

689.54

IN TH fe E

IN

R R r h R

R

480O C R R




18

Circuito eléctrico a simular




19

Simulación en CD, punto de operación

2.02 1.88

6 7.24 1.19 6.05

1.2 1.19

0.7 1.88 1.19 0.69

10 9.91

TH TH

CE CE

E E

BE BE

C C

Téorico Simulado

V V V V

V V V V V V

V V V V

V V V V V V

I mA I mA

D L b H G




20

Simulación en AC, Gráfico de transferencia

D L b H á G á




21

Simulación en el tiempo

5.96 18.620.32

V

V GV

max CQ

max

max

1.8 I

1.8 10 1 480

6.17

O pp L C

O pp

O pp

V R R

V mA k

V V

D L b d H á d G ál




22

Impedancia de entrada, ZIN





23

Ejercicio 5.2

Para los datos del problema 5.1 calcule los valores de componentes adecuados para

diseñar un amplificador emisor-común , considerando M.E.S.S. y T.M.T.P.

Solución: Parámetros h

Para cumplir el M.E.S.S. y el T.M.T.P se debe de encontrar un nuevo valor de ICQ.

Se calcula primero el valor de R E1 para ajustar la GV, y con este valor se calcula R CA para

la condición del T.M.T.P.

1

1

1 1 30022

20 100

1 1 13.21 513.21

C L ie E

V fe

CA C L E

R R k h R

G h

R R R R k k

Como se considera M.E.S.S. se tiene que encontrar el valor apropiado de ICQ así comode R E1 y R E2. se parte de las expresiones 1 y 2:

1 2

1 2

(1)

0.1 (2)

CC CC CQ

CA CD CA C E E

CC RE E E E

CQ CQ

V V I

R R R R R R

V V R R R

I I





24

0.1 100 120 1200

101200 0.7 1.2 2.02

100

TH

TH

R

mAV V V V

1

2

1200 12 7.122.02

12001.44

2.021 1

12

TH CC

TH

TH

TH

CC

R V V R k V V

R R k

V V

V V

1200 300 100 22

1200 300 100 22

810

IN

IN

R

R

2 1

0.1 12 0.1 12 7.1513.21 1

0.1 12120 120 22 98

10

CC CC CQ

CA C

E E E E

V V V V I mA R R k

V R R R R

mA

Sustituyendo R E (2) en ICQ (1) se trabaja algebraicamente para obtener la solución para

el nuevo ICQ:





25

_

'

_

'

2 7.1 14.2

1 120 1.212

101.2

2 2 4.24 8.48

CMAX

E CD C E

CC CMAX

E CD

CC CEQ

I mA mA

R R R k k V V

I mA R k

V V V V

0

12 7.1 1 92 4.24

1.8 7.1 1 1 6.396.39

0.31920

CEQ

MAXpp

INMAXpp

V V mA k V

V mA k k V V

V V





26

Ejercicio 5.3


común con los siguientes datos: GV=25, Rin=1k Ω, VCC=15V, R L=1k Ω, la corriente dereposo en colector deberá de cumplir el criterio de máxima excursión simétrica de salida.

El transistor a utilizar presenta los siguientes parámetros: hfe_min=100, hfe_nom=173,

hie=300Ω, VA=200V. Considere M.E.S.S. y T.M.P.S. y utilice uno de los dos modelos

vistos.

Ejercicio 5.4


común con los siguientes datos: GV=50, Rin=5k Ω, VCC=12V, R L=1k Ω, la corriente de

reposo en colector deberá de cumplir el criterio de máxima excursión simétrica de salida.El transistor a utilizar presenta los siguientes parámetros: hFE _ min=100, hfe_nom=173,

hie=300Ω, VA=200V. Considere M.E.S.S. y T.M.P.S. y utilice uno de los dos modelos

vistos.

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