Amplificador colector común

Seguidor por emisor y par Darlington y Darlington complementarios. Amplificadores de corriente y potencia

Amplificador Colector ComúnEl diagrama del circuito de un amplificador a transistor en colector común se ve en la figura 1(a). Esta configuración es llamada también Seguidor Emisor, porque la ganancia de voltaje es cerca de la unidad (Ec. 6), y entonces un cambio de voltaje en la base aparece como un cambio igual a través de la carga del emisor. En otras palabras, el emisor sigue la señal de entrada.

<

+

V s

Ro

B

Re

Ri*

+

(a)

Io

>

_gmV

X

YV o

_r

V C C

_

Ib

Ri

(b)

r> <>

Fig. 1

C

+

>

Ro<

+

E

Re

<

EC

Ro'

r Io

B

Ro'

V o

r

r

RsV

Rs

V s

Se ve que la resistencia de entrada Ri de un seguidor emisor es muy alta (cientos de kilohms) y la resistencia de salida Ro es muy baja (unos ohms). Entonces el uso más común del circuito de Colector Común es como etapa impulsora la cual hace la función de transformar la resistencia (de alta a baja) sobre un amplio rango de frecuencias, con una ganancia de voltaje cercana a la unidad. En suma, el seguidor emisor incrementa el nivel de potencia de la señal, que es, dando una ganancia de potencia.El circuito equivalente del seguidor es la figura 1(b). Nótese que el colector está puesto a tierra con respecto a la señal ac. (pues la fuente VCC se reemplaza por un corto circuito).La ganancia de corrienteEn la figura 1(b) la corriente de salida, usando la KCL en E (emisor) da que:

Io = - Ib – gmVπ (1)Y Vπ = Ib rπ (2)Combinando las dos ecuaciones, e identificando que β = gmrπ y haciendo la relación Io/Ib entonces tenemos:

Ai = Io/Ib = - (β + 1) (3)

Resistencia de EntradaLa resistencia de entrada Ri es la relación Vb/Ib. Usando la KVL para la malla externa en la figura 1(b) obtenemos que:

Vb = Ibrπ – IoRE (4)Sustituyendo Io en la ecuación (3) y dividiendo por Ib tenemos que:

Ri = Vb/Ib = rπ + (1+ β)RE (5)En la ecuación observamos que Ri para el seguidor emisor es considerablemente mayor que Ri = rπ para una etapa emisor común, incluso para valores pequeños de RE porque β >> 1. Ganancia de VoltajeEl voltaje de salida Vo = - IoRE , entonces Vs = IbRs + Vb usando la ecuación (3) y (4) aciendo algunas manipulaciones algebraicas tenemos:

Av = Vo/Vs = [(β+1)RE]/[Rs+rπ+ (β+1)RE] = [(β+1)RE]/[Rs+Ri] (6)Para (β+1)RE >> Rs+rπ como es el caso usual, Av es aproximadamente la unidad (pero ligeramente menor que la unidad).

Resistencia de Salida

La resistencia Ro’ es la resistencia Thévenin vista desde los terminales X – Y. Como el voltaje Thévenin es simplemente Vo = AvVs, determinando la corriente de corto circuito Isc de Ro’ = Vo/Isc. Obsérvese que Isc = - Io, y dejando RE = 0 (corto circuito), podemos obtener:

Ro’ = {[(Rs+rπ)RE/(β+1)]/[(Rs+rπ)/(β+1)]+RE} (7)La ecuación nos indica que Ro’ es la combinación en paralelo de RE y la resistencia (Rs+rπ)/(β+1). En la figura 1(b) observamos que Ro’ = Ro//RE y entonces tenemos:

Ro = (Rs+rπ)/(β+1) (8)Obsérvese que la resistencia de salida es una función de la resistencia de la fuente Rs. Porque β>>1, Ro de un seguidor emisor es pequeña (omhs) en comparación con la resistencia de entrada, la cual es grande (cientos de Kilohms).Máxima excursión de SeñalEn un diseño de un seguidor emisor, el punto Q estará en el centro de la recte de carga para obtener la máxima excursión de señal de salida (MPP: máximo pico a pico).

Recta de carga en DCEn la figura 2(a) los valores grandes de R2 saturarán el transistor, produciendo una corriente de saturación de:

IC(sat) = VCC/RE (9)Los pequeños valores de R2 llevarán el transistor a corte, produciendo un voltaje de corte de:

VCE(corte) = VCC (10) La figura 2(b) muestra la recta de carga en continua con el punto Q

>V c c

RL

RE

(a) 0

>

V c e

*R2

Ic

+

Q

V C C

V c c /ReR1

Fig 2

V in

(b)

Recta de carca AC. O para señalLa resistencia para señal es menor que la resistencia para DC. Por lo tanto, cuando la señal alterna entra, el punto instantáneo de operación se mueve a lo largo de la recta de carga AC., tanto la corriente de señal pico a pico y voltaje están determinados por la recta de carga AC.

Como la recta de carga AC. Tiene una pendiente mayor que la de DC., entonces la máxima excursión de salida siempre es menor que la fuente de voltaje.

MPP < VCE (9)

Máxima excursión de señal a la salidaCuando el punto Q está por debajo del centro de la recta de carga para AC. El pico máximo de salida (MP) es: MP = ICQre Por otro lado si el punto Q está por encima del centro de loa recta de carga AC., el pico máximo de salida es: MP = VCEQ

>

>

*Q

Ic

V c eV c c

Rec ta de c arga A C.

Rec ta de c arga DC.

Fig 3

0

Para cualquier punto Q por tanto, el pico máximo de salida es: MP = ICQre o VCEQ según cual sea el menor (10)

Y por lo que la máxima excursión de salida es dos veces esa cantidad MPP = 2MP (11)

Cuando el punto Q está en el centro de la recta de carga AC., entonces:ICQre = VCEQ (12)

>

Q

Ic

Ic q.re>

>

*V c e

<

V c e

>

>

*

>

Q

<

Ic

V c e

Conexiones DarlingtonUna conexión Darlington consiste en dos transistores conectados en

Dos transistores conectados en cascada, donde la ganancia de corriente total es el producto de las ganancias individuales.Como la ganancia de corriente es mucho mayor, una conexión Darlington puede tener una impedancia de entrada muy alta y producir corrientes de salida muy grandes. Usados como reguladores de voltaje y amplificadores de potencia.

Par DarlingtonLos CC-CC en cascada mostrados en la figura 4, son llamados a menudo como transistores Darlington o par Darlington. La fuente de corriente IEE se usa para proveer de polarización el circuito.

<

E

<

+

<

>Q2

Ic 2

C

Fig 4

Ic

V C C

Ic 1Q1

Ib1B

Para el transistor compuesto (entre líneas punteadas), Ib1 es la corriente de entrada y IC = IC1 + IC2 l cual es la corriente de salida. Obsérvese que la corriente de la señal de entrada en Q2 es la corriente del emisor de Q1. Entonces IC2 = βIb2 = β(β+1)Ib1 y IC = IC1+IC2 = βIb1+ β(β+1)Ib1 Por lo cual la ganancia de corriente del transistor compuesto βC es:

βC = IC/Ib1 = β(β+2) ≈ β2 (13) Para β>>2. Para β = 100, β2 = 104 claramente, la ganancia de corriente es mucho mejor.El transistor Darlington es a menudo usado como un seguidor emisor. Los extremados altos valores de βC hacen que AV virtualmente la unidad, Ri extremadamente grande y Ro extremadamente pequeña.En el análisis para un Darlington es similar al del CC, excepto que hay dos transistores y por tanto dos caídas VBE por lo que el voltaje DC en el emisor de salida será:

VE = VB – 2 VBE = VB - 1,4 V (14) Darlington ComplementarioEn una conexión en cascada de un transistor NPN y un PNP como se ve en la

C

Q1B

Q2

EFig 5

Figura 5.La corriente del colector de Q1 es la corriente de base de Q2 por lo que el circuito actúa como un Darlington PNP con una ganancia de corriente βC = β1β2. Se usa como amplificador de potencia clase B contrafase.