Acoplamiento en la respuesta a Baja Frecuencia

    Aldair Serrano
Carrera :Electrónica(80)
Semestre: 4to
Materia: Electrónica
Profesora: Ing. Ranielina Rondón
Fecha : 15-08-2017










Efectos de los capacitores de Acoplamiento en la respuesta a Baja Frecuencia

Circuito de pequeña señal a frecuencias bajas
Capacidades internas del transistor, Cp y C_mž , en abierto.

Función de transferencia

¡Aplicaremos el método del cortocircuito!

Método del cortocircuito
Cálculo de la resistencia que ve C₁:

• Cortocircuitamos v_s, C₂ y C_E.
• Sustituimos C₁ por una fuente de test V_X.
• R_C1 = V_X/ I_X

  

 

 

Cálculo de la resistencia que ve C₂:

• Cortocircuitamos v_s, C₁ y C_E.
• Sustituimos C₂ por una fuente de test V_X.
• R_C2 = V_X/ I_X

 

 

 

   

Idéntico proceso para C_E

  

 

 

Constantes de tiempo

Frecuencias de corte interior

R_C2 > R_C1 > R_CE ⇒ C_E introduce el polo dominante

Influencia de los ceros

• Ceros de C₁ y C₂

C₁ y C₂ introducen un cero a frecuencia w = 0 ya que |A(jw = 0)| = 0. 

Los ceros están alejados del polo dominante.

• Ceros de C_E

Para valores típicos de R_E el cero se encuentra suficientemente alejado del polo.

• El modelo Híbrido a Altas Frecuencia
  

• Cálculo de ancho de banda

El cálculo del ancho de banda (BW, por sus siglas en inglés), de un canal de comunicaciones para transmitir video se hace con simples fórmulas matemáticos, que aquí aprenderemos fácilmente

¿Cuál es la información primaria a tener en cuenta? Debemos basarnos en información que nos suministran los fabricantes y en aspectos que deben definirse de acuerdo a nuestra experiencia y las necesidades del usuario final. Pero aquí hay un valor agregado: resulta que el ancho de banda está estrechamente relacionado con la capacidad del disco duro, donde se almacena la información de video. Por lo tanto, gran parte de los datos requeridos para determinar el ancho de banda son necesarios para saber la capacidad del disco duro.

• Repuesta en Frecuencia de etapas

El análisis hasta el momento se ha limitado a una frecuencia particular.Para el caso del amplificador, se trata de una frecuencia que, por loregular, permite ignorar los efectos de los elementos capacitivos, con loque se reduce el análisis a uno que solamente incluye elementosresistivos y fuentes independientes o controladas. Ahora, se revisarán losefectos de la frecuencia presentados por los elementos capacitivosmayores de la red en bajas frecuencias y por los elementos capacitivosmenores del dispositivo activo en las altas frecuencias. Debido a que elanálisis se extenderá a lo largo de un intervalo amplio de frecuencias, sedefine y se emplea la escala logarítmica a lo largo del análisis. Asimismo,debido a que en la industria se emplea por lo regular una escala dedecibeles en las gráficas de frecuencia, se presentará el concepto dedecibel con cierto detalle. Las similitudes entre los análisis de respuesta ala frecuencia tanto para los BJTscomo para los FETs, permiten unacobertura de cada uno en el mismo capítulo.

• Emisor común

En estos tipos de montajes en los que la entrada de señal a amplificar y la salida amplificada se toma con respecto a un punto común, en este caso el negativo, conectado con el emisor del transistor

• Seguidor Emisor

El amplificador seguidor emisor también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.

Este circuito no tiene resistencia en el colector y la salida está conectada, a travéz de la unión colector-emisor, a la resistencia del emisor Re (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.

• Base Común

Vamos a ver la última configuración básica que es la base común. A este tipo de circuitos se les aplica la entrada por el emisor y la salida se toma del colector. El terminal común a la entrada y a la salida es la base y está conectada a tierra.

Con un circuito de base común no vamos a conseguir ganancia en la corriente. La corriente de emisor, que es la corriente de entrada, está formada por la suma de la corriente de base y la de colector:

I_E = I_C + I_B

Esto implica que la corriente de colector, es decir, la corriente de salida, sea más pequeña que la corriente de entrada. Por lo tanto, la ganancia de corriente que es el cociente entre la corriente de salida y la de entrada, va a ser menor que la unidad y no vamos a obtener ganancia.
La característica principal de estos circuitos es que tienen mucha ganancia de tensión, es decir, la tensión de salida va a ser mucho mayor que la tensión de entrada. Para explicar esto tenemos que profundizar un poco más en los componentes de este circuito. Hay una resistencia de emisor, Re, que suele ser pequeña, por lo tanto, estos circuitos tienen una impedancia de entrada muy baja.
Sin embargo, la resistencia del colector, Rc, es alta. Como las intensidades de emisor y colector son prácticamente iguales, aplicando la ley de Ohm:

V = R . I

comprobamos que la tensión de salida va a ser muy grande y la tensión de entrada mucho más pequeña, por lo que se produce una ganancia importante de tensión en este tipo de configuraciones.
Al tener este tipo de circuitos una impedancia de entrada muy baja, debe ser excitado con "algo" que sea capaz de proveer la fuente de baja impedancia y corriente intensa. Ese "algo" puede ser una configuración de colector común que, como hemos visto, tiene una impedancia de salida muy baja y, al contar con una ganancia de corriente bastante grande, la corriente de salida va a ser intensa.

Pero como no siempre vamos a querer conectar a la entrada un seguidor de emisor o un circuito que proporcione esas características tenemos que conectar una resistencia, R_S, que hace que la impedancia de entrada no sea tan baja y así podamos conectar otro tipo de configuraciones sin exigir una corriente de salida tan alta. El problema al colocar esta resistencia es que la ganancia en tensión del circuito de base común va a disminuir, aunque hay veces que merece la pena este precio por conseguir una impedancia de entrada algo más alta.

etapas multietapas

Se llama amplificador multi etapa a los circuitos o sistemas que tienen multiples transistores y ademas pueden ser conectadas entre si para mejorar sus respuestas tanto en ganancia, Zin, Zout o ancho de banda. 
Los amplificadores multieetapa son circuitos
Configuracion Darlington
Esta configuración corresponde a dos etapas seguidores de emisor, tiene una alta impedancia de entrada y además produce un efecto multiplicativo sobre la corriente, se conoce además como par Darlington.
CIRCUITO BICMOS
(contracción de Bipolar-CMOS) es el nombre de una tecnología de fabricación de circuitos integrados que combina las ventajas de las tecnologías bipolar y CMOS integrándolas juntas en un mismo wafer.
Se usa en analógica para la fabricación de amplificadores y en digital para algunos componentes discretos.

• Fuente Común

El transistor común se llama transistor de unión, y fué el dispositivo clave que condujo a la revolución de la electrónica de estado sólido. En la práctica, el transistor de unión tiene la desventaja de una baja impedancia de entrada debido a que en la base del transistor está la entrada de señal y el diodo base-emisor estápolarizado directamente. Otro dispositivo consigue esta acción del transistor, pero con el diodo de unión de entrada polarizado inversamente, y este dispositivo se denomina "transistor de efecto de campo" o "transistor de efecto de campo de unión", JFET. Con la polarización inversa en la unión de entrada, se tiene una impedancia de entrada muy alta. Tener una alta impedancia de entrada minimiza la interferencia con la fuente de señal, ya que supone una "carga" pequeña.

• Amplificador Diferencial

Se llama amplificador diferencial a un dispositivo que amplifica la diferencia entre dos voltajes de entrada, pero que suprime cualquier voltaje común a dichas entradas.¹​Es un circuito analógico con dos entradas denominadas entrada inversora (${\displaystyle V_{in}^{-}}$) y entrada no inversora (${\displaystyle V_{in}^{+}}$) y una sola salida (${\displaystyle V_{O}}$) la cual es idealmente proporcional a la diferencia entre los dos voltajes, según la siguiente ecuación:

${\displaystyle V_{O}=A_{d}(V_{in}^{+}-V_{in}^{-})}$

donde el factor de proporcionalidad ${\displaystyle A_{d}}$ es la ganancia diferencial del amplificador.

Análisis de pequeña señal para BJT

Análisis de pequeña señal para BJT

• Condensador de Acoplo 

Aque que permite el paso de la señal de un punto a otro sin que esta sufra atenuación (acoplamiento ideal)

• Condensador de desacoplo

Aquel que deriva señales para que no pasen algún elemento y es aquel que se usa entre la alimentación continua y masa, y es paralelo al nodo de alimentación que existiría si no pusieras condensador.

La función de este es ser cargado si hay alguna variación de tensión hacia la alimentación, y asi poder evitar subidas de tensión que se traducen en ruido

• Configuración de emisor común con polarización fija

En la siguiente tabla están las ecuaciones para hallar todos los parámetros de un transistor bjt en emisor común con polarización fija: impedancia de entrada (zi), impedancia de salida (zo), voltaje de entrada (vi), voltaje de salida (vo), corriente de entrada (ii), corriente de salida (io), ganancia de voltaje (Av), y ganancia de corriente (Ai). También están las ecuaciones para hallar los condensadores de acople ci (condensador de entrada) y co (condensador de salida).

El circuito en ac de un bjt en emisor común con polarización fija ya con el modelo híbrido es el siguiente:

Como usar la tabla:

- Cuando no hay RS, en las ecuaciones se le asigna el valor de “0” (cero).

- Cuando no hay RL, en las ecuaciones se le asigna el valor de “∞” (infinito).

- Cuando hay RL la ecuación de corriente de salida es -vo/RL, y cuando no hay RL la ecuación de la corriente de salida es -vo/RC.

- Las impedancias de entrada zi y salida zo, son totalmente independientes del valor que tomen RS o RL.

* En estas ecuaciones se asume que hre y hoe son “0” (cero).

Tenga en cuenta:

- La resistencia de carga RL afecta la corriente de salida io y el voltaje de salida vo, haciendo que estos sean mas pequeños, por lo que afecta igualmente la ganancia de voltaje Av y la ganancia de corriente Ai, haciendo que estas sean menores.

- La resistencia de fuente RS afecta solo el voltaje de entrada vi, haciendo que este sea mas grande, por lo que afecta la ganancia de voltaje Av, haciendo que esta sea menor.

Ejemplo: Realice un análisis del siguiente circuito. Halle todos los parámetros zi, zo, vi, vo, ii, io, Av, Ai. Asuma que RS tiene un valor de un 1kΩ. Hfe tiene un valor de 80, y hie tiene un valor de 1kΩ. Ademas halle el valor de los condensadores de acople ci y co para una frecuencia de 10kHz.

Solución: El valor de RS se reemplaza por un 1kΩ en las ecuaciones, así mismo como no hay RL, entonces se reemplaza en las ecuaciones por “∞” (infinito), y la corriente de salida sera -vo/RC.

Se puede observar que las impedancias de entrada y salida son altas. También las ganancias de corriente y voltaje son altas, pero la ganancia de voltaje seria mucho mas grande si no hubiera RS.

• Configuración emisor comun con polarización por divisor de tensión

En la siguiente tabla están las ecuaciones para hallar todos los parámetros de un transistor bjt en emisor común con polarización por divisor de voltaje: impedancia de entrada (zi), impedancia de salida (zo), voltaje de entrada (vi), voltaje de salida (vo), corriente de entrada (ii), corriente de salida (io), ganancia de voltaje (Av), y ganancia de corriente (Ai).

El circuito anterior en ac queda de la siguiente manera:

Y reemplazando el transistor por el modelo híbrido de emisor, ahora queda de la siguiente forma:

Como usar la tabla:

- En caso de que no halla RS, en las ecuaciones se reemplaza como “0” (cero).

- En caso de que no halla RL, en las ecuaciones se reemplaza como “∞” (infinito).

- Cuando hay RL la ecuación de corriente de salida es -vo/RL, y cuando no hay RL la ecuación de la corriente de salida es -vo/RC.

- En caso de que RE se elimine completamente en ac, se reemplaza por “0” en las ecuaciones.

- En caso de que RE se elimine parcialmente en ac, se reemplaza por el valor que RE tome en ac.

* Se puede observar que las ecuaciones de las impedancias de entrada y salida, son totalmente independientes de la resistencia de fuente RS y de la resistencia de carga RL.

* Cabe recordar que en estas ecuaciones se asume que hre y hoe toman una valor de “0” (cero).

Tenga en cuenta:

- La resistencia de carga RL afecta la corriente de salida y el voltaje de salida, haciendo que estos sean mas pequeños, por lo que afecta igualmente las ganancias de voltaje y de corriente, haciendo que estas sean menores.

- La resistencia de fuente RS afecta solo el voltaje de entrada, haciendo que este sea mas grande, por lo que afecta la ganancia de voltaje, haciendo que esta sea menor.

- La resistencia de emisor RE afecta la corriente de entrada y el voltaje de entrada, haciendo que estos sean mas grandes, por lo que afecta la ganancia de voltaje y la ganancia de corriente, haciendo que estas sean menores. También afecta la impedancia de entrada haciendo que esta aumente de valor.

• Configuración de colector comun

La configuración colector común también llamada seguidor de emisor, tiene la entrada por la base, y la salida por el emisor, como se muestra en la siguiente figura:

Presenta las siguientes características:

Alta ganancia de corriente.

Ganancia de voltaje menor a 1.

Inversión de corriente de salida.

No inversión de voltaje en la salida

Impedancia de entrada grande.

Impedancia de salida pequeña.

Un colector común tiene un comportamiento similar a un buffer de voltaje, ya que lo que hace es tomar una señal de voltaje de baja potencia, y transformarla en la misma señal de voltaje, pero con una mayor potencia, sin llegar a distorsionar en ningún momento la señal de entrada. Como buffer tiene ciertas limitaciones por ejemplo: tiene una impedancia de entrada alta, pero no en el orden Mega Ohms, tiene una impedancia de salida baja, pero no en el orden de mili Ohms, y tiene una ganancia de voltaje cercana a uno, pero no de uno. Por todo lo anterior al colector común se le puede considerar como un buffer de voltaje imperfecto.

Las polarizaciones que se usan en un colector común son la polarización estabilizado en emisor, polarización por divisor de voltaje, y polarización por realimentación de colector y de emisor. Polarización fija y polarización por realimentación de colector no se usan ya que corto circuitan la salida en el colector común. El modelo híbrido exacto de un transistor bjt en colector común es el siguiente:

Se puede observar que ahora todos los parámetros híbridos, tiene el subíndice c, además de que la fuente de corriente sigue dependiendo de la corriente de base. Ahora el modelo híbrido de emisor común también puede ser usado para analizar un colector común, el modelo híbrido de emisor común configurado para colector común es el siguiente:

En donde lo único que se hizo fue reacomodar el circuito, de tal manera que la entrada siga siendo la base, el común sea ahora el colector,y la salida sea el emisor.Ahora la relación de parámetros entre un colector común y un emisor común es la siguiente

En los próximos ejemplos, se usará el modelo híbrido aproximado de emisor común configurado para colector común, que es el siguiente:

En donde se asume que hre y hoe son cero. La razón de porqué se usa el modelo ac del emisor común configurado para colector común, y no directamente el modelo ac de colector común, es que los parámetros de el emisor común, son los que normalmente se dan en el datasheet, e igualmente los resultados son los mismos. En los siguientes ejemplos se observan las ecuaciones de los parámetros de un colector común, zi, zo, vi, vo, ii, io, Av, y Ai para los diferentes tipos de polarización.

• Configuración de base común

En la configuración base común la entrada es por el emisor, y la salida por el colector como se muestra en la siguiente figura:

Presenta las siguientes características:

Alta ganancia de Voltaje.

Ganancia de corriente menor a 1.

No inversión de voltaje en la salida.

Inversión de Corriente en la salida.

Impedancia de entrada pequeña.

Impedancia de salida grande.

Un transistor en configuración base común se usa en aplicaciones VHF (very high frequency) y UHF (ultra high frequency), ya que presenta una respuesta excelente a altas frecuencias, esto debido a que no se ve afectado por el efecto Miller, ya que presenta una baja realimentación de la salida a la entrada. Ademas en en la configuración compuesta cascode se usa un base común precedido de un emisor común, para tener los beneficios de la alta impedancia del emisor común, y la buena respuesta en frecuencia del base común.

Las polarizaciones que se usan en un base común son la polarización estabilizado en emisor, polarización por divisor de voltaje, y polarización por realimentacion de colector y de emisor. Polarización fija y polarización por realimentacion de colector no se usan ya que corto circuitan la entrada en el base común. El modelo híbrido exacto de un transistor bjt en base común es el siguiente

Se puede observar que ahora todos los parámetros híbridos, tiene el subíndice b, además de que la fuente de corriente ahora depende de la corriente de emisor. Ahora el modelo híbrido de emisor común también puede ser usado para analizar un base común, el modelo híbrido de emisor común configurado para base común es el siguiente:

En donde lo unico que se hizo fue reacomodar el circuito, de tal manera que la entrada sea ahora el emisor, el común sea la base,y la salida sea el colector. Ahora la relación de parámetros entre un base común y un emisor común es la siguiente:

En los próximos ejemplos, se usará el modelo aproximado de emisor común configurado para base común, por lo cual todas las ecuaciones de los parámetros estaran en términos de hie y hfe, el modelo es el siguiente

En donde se asume que hre y hoe son cero. La razón de porqué se usa el modelo ac del emisor común configurado para base común, y no directamente el modelo ac de base común, es que los parámetros de el emisor común, son los que normalmente se dan en el datasheet, e igualmente los resultados son los mismos. En los siguientes ejemplos se observan las ecuaciones de los parámetros de un base común, zi, zo, vi, vo, ii, io, Av, y Ai para los diferentes tipos de polarización.

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