RESUMEN DEL CAP 7MODELAJE DE TRANSISTORES BIPOLARES

1. INTRODUCCIONEn este apartado se examinara la respuesta de ac en pequea seal del amplificador a BJT mediante la revisin de los modelos que se usan con frecuencia para representar al transistor en el dominio senoidal en ac.Existen dos modelos que se utilizan con frecuencia en el anlisis en ac de pequea seal de redes de transistores: el modelo Re, y el equivalente hibrido. En este captulo se define el papel de cada uno y la relacin que hay entre ambos.

2. AMPLIFICACION EN EL DOMINIO DE ACLa seal senoidal de salida es mayor que la de entrada, o, dicho de otra manera, la potencia de ca de salida puede ser mayor que la potencia de ca de entrada. Surge entonces la pregunta sobre cmo es que la potencia de salida de ca pueda ser mayor que la potencia de ca de entrada. La conservacin de la energa dicta que con el tiempo la salida de potencia total, Po, de un sistema no puede ser mayor que su potencia de entrada, Pi y que la eficiencia definida por h Po>Pi no puede ser mayor que 1. El factor que falta en el planteamiento anterior que permite que una potencia de salida de ca sea mayor que la potencia de ca de entrada es la potencia de cd aplicada. Es un contribuyente a la potencia de salida total aun cuando una parte de ella se disipe por el dispositivo y los elementos resistivos. En otras palabras, existe un intercambio de potencia de cd con el dominio de ca que permite establecer una potencia de ca de salida ms alta.Sin embargo, es extremadamente til tener en cuenta que:El teorema de superposicin es aplicable al anlisis y diseo de los componentes de cd y ca de una red de BJT, lo que permite separar el anlisis de las respuestas de cd y ca del sistema.En otras palabras, podemos efectuar un anlisis de cd completo de un sistema antes de considerar la respuesta de ca. Una vez hecho el anlisis de cd, la respuesta de ca se determina mediante un anlisis completo de ca. Sucede, sin embargo, que las condiciones de cd determinarn a uno de los componentes que aparece en el anlisis de ca de redes de BJT, as que sigue habiendo un vnculo importante entre los dos tipos de anlisis.3. MODELAJE DE TRANSISTORES BJTLa clave para el anlisis de seal pequea de un transistor es el uso de circuitos equivalentes (modelos)Un modelo es una combinacin de elementos de un circuito, apropiadamente seleccionados, que simula de forma aproximada el comportamiento real de un dispositivo semiconductor en condiciones especficas de operacin.Una vez que se determina el circuito equivalente de ca, el smbolo esquemtico del dispositivo puede ser reemplazado por este circuito equivalente y los mtodos bsicos de anlisis de circuitos aplicados para determinar las cantidades deseadas de la red.En los aos formativos del anlisis de redes de transistores se empleaba con frecuencia la red equivalente hbrida. Las hojas de especificaciones incluan los parmetros en sus listas y el anlisis simplemente se reduca a insertar el circuito equivalente con los valores listados. Sin embargo, la desventaja de utilizar este circuito equivalente es que se defina para un conjunto de condiciones de operacin que podran no coincidir con las condiciones de operacin reales. En la mayora de los casos no es una desventaja grave porque las condiciones de operaciones reales son relativamente parecidas a las condiciones de operacin seleccionadas en las hojas de datos.En realidad, el modelo re es una versin reducida del modelo p hbrido utilizado casi exclusivamente para anlisis de alta frecuencia. Este modelo tambin incluye una conexin entre la salida y la entrada para incluir el efecto de realimentacin del voltaje de salida y las cantidades de entrada.El equivalente de ca de una red se obtiene como sigue:1. Poniendo en cero todas las fuentes de cd y reemplazndolas por un equivalente de cortocircuito.2. Reemplazando todos los capacitores por un equivalente de cortocircuito.3. Quitando todos los elementos evitados por los equivalentes de cortocircuito introducidos por los pasos 1 y 2.4. Volviendo a dibujar la red en una forma ms conveniente y lgica.

4. LOS PARAMETROS IMPORTANTES Zi, Zo, AV, Ai.Impedancia de entrada ZiPara el lado de la entrada, la impedancia de entrada Zi esta definida por la ley de ohm de la siguiente forma: Para el anlisis en pequea seal, una vez determinada la impedancia de entrada, se puede emplear el mismo valor numrico para los niveles cambiantes de la seal aplicada.No se puede emplear un hmetro para medir impedancia de entrada en pequea seal debido a que este opera en el modo de dc.Impedancia de salida ZoSe define en el conjunto de terminales de salida, pero esta definicin es un poco diferente cuando se trata de la impedancia de entradaLa impedancia de salida se determina en las terminales de salida viendo hacia atrs el sistema con la seal aplicada igual a cero.Para determinar Zo, se aplica una seal, Vs, a las terminales de salida, y el nivel de Vo se mide con un osciloscopio o DMM sensible. Luego se calcula la impedancia de salida de la siguiente manera: , Z0 =En particular, para las frecuencias de rango bajo y medio (normalmente 100kHz): La impedancia de salida de un amplificador de transistor BJT es resistiva por naturaleza y depende de la configuracin y de la colocacin de los elementos resistivos, Z0 puede variar entre unos cuantos ohms y un nivel que puede exceder los 2M. Adems no se puede usar un hmetro para medir la impedancia de salida en pequea seal debido a que el hmetro trabaja en modo dc.Ganancia de voltaje, AvUna de las caractersticas ms importantes de un amplificador es la ganancia en voltaje en pequea seal, como se determina mediante. Para amplificadores de transistor, la ganancia de voltaje sin carga es mayor que la ganancia de voltaje con carga.Dependiendo de la configuracin, de la magnitud de la ganancia en voltaje para un amplificador a transistor de una etapa normalmente esta en rango de menos 1 a unos cuantos cientos. Sin embargo un sistema multietapas puede tener una ganancia en voltaje de varios miles Ganancia en corriente, AiLa ltima caracterstica numrica que ser tratada es la ganancia de corriente definida por: Aunque por lo general esta recibe menor atencin que la ganancia de voltaje es, sin embargo, una cantidad importante que puede tener un impacto significativo en la eficiencia global de un diseo. En general: Para los amplificadores a BJT, la ganancia de corriente varia desde un valor apenas inferior que 1 hasta un nivel que puede exceder los 100.La ecuacin ; permite determinar la ganancia de corriente a partir de la ganancia de voltaje y los niveles de impedancia.Relacin de faseLa relacin de fase entre las seales senoidales de entrada y salida es importante por una variedad de razones prcticas. Para el amplificador de transistor tpico, a frecuencias que permiten ignorar el efecto de elementos reactivos, las seales de entrada y salida estn o bien 180 fuera de fase.ResumenHasta aqu se trato los parmetros de principal importancia para un amplificador ya se han presentado: la impedancia de entrada Z, la impedancia de salida Z0, la ganancia de voltaje Av, la ganancia de corriente A y las relaciones de fase resultantes. Otros factores, tales como la frecuencia aplicada para los lmites inferior y superior del espectro de frecuencias, afectarn algunos de estos parmetros.

5. EL MODELO DE TRANSISTOR reEl modelo re requiere un diodo y una fuente de corriente contralada para duplicar el comportamiento de un transistor e la regin de inters. Recuerde que una fuente controlada de corriente es aquella donde los parmetros de la fuente de corriente estn controlados por medio de una corriente situada en cualquier otro lugar de la red de hecho los amplificadores a transistor BJT son conocidos como dispositivos de corriente controlada.Configuracin en base comnEl circuito equivalente de base comn se desarrollar casi del mismo modo en que se aplic a la configuracin en emisor comn. Las caractersticas generales del circuito de entrada y salida generarn un circuito equivalente que simular de forma aproximada el comportamiento real del dispositivo. Recuerde que en la configuracin en emisor comn se utiliz un diodo para representar la conexin de la base al emisor.La resistencia de ca de un diodo puede determinarse mediante la ecuacin rca = 26 mV/lD, donde ID es la corriente de cd a travs del diodo en el punto Q (esttico). Esta misma ecuacin puede utilizarse para encontrar la resistencia de ca del diodo, si sustituimos simplemente la corriente de emisor, como se muestra a continuacin r El subndice e de re se selecciono para enfatizar que es el nivel cd de la corriente de emisor que determina el nivel ca de la resistencia del diodo. la impedancia de entrada Z para la configuracin de base comn de un transistor fuera simplemente re. Es decir, Zi = rePara la configuracin de base comn, los valores tpicos de Z varan entre unos cuantos ohms y un valor hasta de alrededor de 50 .Para la impedancia de salida, si establecemos la seal a cero, entonces le = O A e le= le = (O A) = O A, resultando en un equivalente de circuito abierto en las terminales de salida. Z0 Para la configuracin de base comn, los valores tpicos de Z se hallan en el orden de los megaohms. La resistencia de salida de la configuracin de base comn se determina por medio de la pendiente de las lneas caractersticas de las caractersticas de salida, Suponiendo que las lneas sean perfectamente horizontales (una excelente aproximacin) resultara la conclusin. Si se tuviera el cuidado de medir Z0 grfica o experimentalmente, se obtendran los niveles tpicos en el intervalo de 1 a 2 M. En general, para la configuracin de base comn, la impedancia de entrada es relativamente pequea mientras que la impedancia de salida es bastante alta.Configuracin de emisor comnLas terminales de entrada son las terminales de base y emisor, pero el conjunto de salida lo componen ahora las terminales de colector y emisor. Adems, la terminal de emisor es ahora comn entre los puertos de entrada y salida del amplificador. En esta configuracin, la corriente de base es la corriente de entrada, mientras que la corriente de salida an es le.La impedancia de entrada se determina por el siguiente cociente: Zi = = Para la configuracin de emisor comn, los valores tpicos de Zi que se definen mediante oscilan desde unos cuantos cientos de ohms hasta el orden los kilohms, con valores mximos de entre 6 y 7 kilohms.Obsrvese que la pendiente de las curvas se incrementa con el aumento en la corriente de colector. Cuanto ms elevada sea la pendiente, menor ser el nivel de la impedancia de salida (Zo).Para la configuracin de emisor comn, valores tpicos de Z0 se encuentran en el intervalo que va de los 40 a los 50 k.Configuracin de colector comnPara la configuracin de colector comn normalmente se aplica el modelo definido para la configuracin de emisor comn, en vez de definir un modelo propio para la configuracin de colector comn. En captulos subsiguientes se estudiaran mas a fondo este tema

6. EL MODELO HIBRIDO EQUIVALENTEEn las primeras secciones de este captulo comentamos que el modelo equivalente hbrido se utiliz en los primeros aos, antes de que cobrara popularidad el modelo re. En la actualidad existe una mezcla de usos segn el nivel y direccin de la investigacin. El modelo re ofrece la ventaja de que las condiciones reales de operacin definen los parmetros, en tanto que los de circuito equivalente hbrido se definen en trminos generales para cualquier condicin de operacin. Dicho de otro modo, los parmetros hbridos no reflejan las condiciones reales de operacin, sino que slo indican el nivel esperado de cada parmetro sin importar las condiciones que en realidad existan. El modelo re adolece de que parmetros como la impedancia de salida y los elementos de realimentacin no estn disponibles, en tanto que los parmetros hbridos proporcionan todo el conjunto en las hojas de especificaciones. En la mayora de los casos, si se emplea el modelo re, el investigador simplemente examinar la hoja de especificaciones para tener alguna idea de cules podran ser los elementos adicionales. Esta seccin mostrar que se puede ir de un modelo a otro y cmo estn relacionados los parmetros. Como todas las hojas de especificaciones proporcionan los parmetros hbridos y el modelo se sigue utilizando extensamente, es importante tener en cuenta ambos modelos.Los parmetros que relacionan las cuatro variables se llaman parmetros h, de la palabra hbrido.Se escogi el trmino hbrido porque la mezcla de variables (V e I) en cada ecuacin produce un conjunto hbrido de unidades de medicin para los parmetros h. Podemos tener una clara idea de lo que los diversos parmetros representan y de cmo se puede determinar su magnitud, aislando cada uno de ellos y examinando la relacin resultante.

7. DETERMINACION GRAFICA DE LOS PARAMETROS hEmpleando derivadas parciales (clculo), podemos demostrar que la magnitud de los parmetros h en el circuito equivalente de transistor de seal pequea en la regin de operacin para la configuracin de emisor comn puede encontrarse empleando 4 ecuaciones. En una de las 4 ecuaciones ya mencionadas el smbolo se refiere a un pequeo cambio en esa cantidad alrededor del punto de operacin. En otras palabras, los parmetros h se determinan en la regin de operacin para la seal aplicada, de manera que el circuito equivalente ser el ms preciso de los disponibles. Los Parmetros hbridos para las configuraciones de base comn y de colector comn pueden encontrarse empleando las mismas ecuaciones bsicas con las variables y caractersticas apropiadas.La resistencia de entrada en la configuracin de base comn es baja, en tanto que la resistencia de salida es alta. Tambin, considrese que la ganancia de corriente en corto circuito es muy cercana a 1. En las configuraciones de emisor comn y de colector comn obsrvese que la resistencia de entrada es mucho ms alta que la de la configuracin de base comn y que la relacin entre la resistencia de salida y la de entrada es aproximadamente de 40: l. Adems, considrese en las configuraciones de emisor comn y de base comn que hr tiene una magnitud muy pequea. En la actualidad se dispone de transistores con valores de hfe que varan de 20 a 600.

8. VARIACIONES DE LOS PARAMETROS DE TRANSISTORESSe pueden trazar varias curvas para mostrar las variaciones de los parmetros del transistor con la temperatura, la frecuencia, el voltaje y la corriente. Lo ms interesante y til en esta etapa del desarrollo incluye las variaciones con la temperatura de unin y el voltaje y la corriente del colector.El resultado es que la magnitud de cada parmetro se compara con los valores definidos en el punto de operacin definido. Como los fabricantes en general utilizan los parmetros hbridos para grficas de este tipo. Sin embargo, para ampliar el uso de las curvas tambin se agregaron los parmetros equivalentes re y pi hbrido.El parmetro hfe (B)es el que vara menos de todos los parmetros de un circuito equivalente del transistor cuando se traza contra las variaciones en la corriente del colectorTodos los parmetros de un circuito hbrido equivalente del transistor se incrementan con la temperatura.Sin embargo, de nuevo tenga en cuenta que la resistencia de salida real ro est inversamente relacionada con hoe, de modo que su valor se reduce con un incremento de hoe. El cambio ms grande ocurre en hie, aunque observe que el intervalo de la escala vertical es considerablemente menor que el de las otras grficas. A una temperatura de 200C el valor de hie es casi tres veces su valor del punto Q, los parmetros se incrementan a casi 40 veces el valor del punto Q.De los tres parmetros, por consiguiente, la variacin de la corriente del colector es la que ms afecta los parmetros de un circuito equivalente de transistor. La temperatura siempre es un factor, aunque el efecto de la corriente del colector puede ser significativo.