DR 13/10/2011 - Clase 10 - Transistores

En la clase anterior analizamos el interesante efecto del transistor: una ligera variación en la tensión VBE, produce variaciones de orden exponencial en la corriente de emisor, IE, y por tanto también varia la corriente de col·lector, IC, que es prácticamente una réplica de IE. Para asegurar que este comportamiento sea posible se ha de asegurar que el transistor esta en la zona activa. Este el el camino que vamos a seguir: como conseguir situar un transistor en la zona activa para conseguir es interesante efecto de amplificación.

Para conseguir que un transistor este trabajando en la zona activa hay que asegurar lo siguiente:

• VBE > 0 => IE > 0
• VCB > 0

Si recordamos que el transistor como dos uniones PN podemos pensar de manera muy simplificada que en dos diodos dispuestos de la siguiente manera:

Repito: es un modelo muy simplificado, el transistor es algo más que dos diodos dispuestos de esta manera, pero este modelo es útil para entender como polarizar un transistor en la zona activa. Queremos que VBE > 0 y VCB > 0, por tanto el diodo inferior debe estar en conducción y el superior en corte. Podríamos pensar en el siguiente circuito:

Este puede simplificarse de manera que solo se use una fuente de tensión de la siguiente manera:

Las ecuaciones de diseño de nuestro circuito son:

• RB = (VCC - 0.6)/(ICQ/β)
• RC = (VCC/2)/ICQ

Elegimos un valor de VCEQ ~ VCC/2 para aprovechar todo el margen dinámico y un valor de ICQ de unos pocos miliamperios. Una vez montado el circuito si vamos al laboratorio a probarlo podremos comprobar que, efectivamente, esta configuración funciona pero presenta un pequeño problema: El circuito es inestable térmicamente, y el transistor puede escapar fácilmente de la zona activa. Para solventar este problema se propone el circuito siguiente:

Esta configuración si es estable y presenta la siguientes ecuaciones de diseño:

• RB = (V0Q-0.6)/(ICQ/β)
• RC = (VCC-V0Q)/ICQ 

Una vez sabemos como polarizar un transistor en la zona activa pasamos a analizar la respuesta del transistor a una excitación determinada. En este punto será de vital importancia lo que ya desarrollamos anteriormente: el modelo de pequeña señal. Somos capaces de situar un transistor en activa para que frente a pequeñas variaciones de VBE produzca cambios de orden exponencial en IC, ahora queremos encontrar la respuesta a estas pequeñas variaciones. Es decir, como se desplaza el punto de trabajo del transistor frente a pequeños incrementos. Para ello aplicaremos superposición: primero será necesario analizar el transistor sin considerar los pequeños incrementos, es decir, analizar el transistor en continua para encontrar donde se sitúa el punto de trabajo. En segundo lugar analizaremos el transistor considerando solamente la aportación del generador incremental. Para ello consideraremos las siguientes aproximaciones para el modelo de pequeña señal:

• ΔVBE = (VT/IEQ)·ΔIEQ A (VT/IEQ) lo llamaremos resistencia incremental

Para el análisis incremental usaremos el siguiente modelo: 

Este modelo puede reducirse al siguiente:

Encontramos la resistencia equivalente del siguiente bipolo:

Por tanto el modelo equivale a:

Si ahora simplificamos la fuente de corriente controlada llegamos a

Si analizamos el circuito propuesto para los siguientes valores:

• VCC = 12 volts
• RC = 6K, RB = 3.8M
• β = 332, Vγ = 0.6 volts

Llegamos a la siguiente ecuación de salida:

• V0 = 6 - 0.52 ΔV

Si nos paramos a reflexionar sobre lo que hemos obtenido nos daremos cuenta de que la amplificación de ΔV es mínima cuando se suponía que queríamos obtener variaciones de orden exponencial. Con esta configuración no estamos sacando el máximo partido al efecto transistor ya que no estamos afectando directamente VBE.

Para sacar el máximo partido de el efecto transistor debemos conseguir que esta pequeña variación se produzca justo en el punto sensible del transistor, la tensión de base-emisor. Para ello usamos el siguiente diseño:

El diseño del amplificador ahora serà:

  

El condensador lo tomaremos de tal manera que para la frecuencia de trabajo del circuito pueda considerarse un cortocircuito. Los valores típicos suelen estar alrededor de unos 400 nF. Para el análisis incremental tendremos:

El que podremos reducir a:

Entonces nuestros parámetros del circuito seran:

Por último hablamos del efecto miller. El efecto miller predice el siguiente hecho: si en nuestro amplificador tenemos una resistencia que conecta la entrada y la salida entonces nuestra resistencia de entrada del amplificador será muy pequeña. Si nos fijamos en el modelo incremental de nuestro último diseño RB conecta la salida y la entrada lo que produce que la resistencia de entrada disminuya. Como ya comentamos queremos que la resistencia de entrada de nuestro amplificador sea muy alta para no perturbar el filtro de sentonia. Para minimizar este efecto usamos el siguiente diseño:

De esta manera el modelo incremental será de la siguiente manera:

De esta manera eliminamos el efecto miller. Así pues los parámetros de esta nueva configuración serán: