El amplificador de colector común

Nuestra siguiente configuración de transistor para estudiar es un poco más simple para los cálculos de ganancia. Llamada configuración de colector común, su diagrama esquemático se muestra en la siguiente figura.

El amplificador de colector común tiene un colector común tanto para la entrada como para la salida.

Se llama configuración de colector común porque (ignorando la batería de la fuente de alimentación) tanto la fuente de señal como la carga comparten el cable del colector como un punto de conexión común, como se muestra en la siguiente figura.

Colector común:la entrada se aplica a la base y al colector. La salida es del circuito emisor-colector.

Debería ser evidente que la resistencia de carga en el circuito amplificador de colector común recibe las corrientes de base y colector, y se coloca en serie con el emisor. Dado que el cable emisor de un transistor es el que maneja la mayor cantidad de corriente (la suma de las corrientes de base y colector, ya que las corrientes de base y colector siempre se engranan para formar la corriente del emisor), sería razonable suponer que este amplificador tendrá un ganancia de corriente muy grande. Esta suposición es de hecho correcta: la ganancia de corriente para un amplificador de colector común es bastante grande, más grande que cualquier otra configuración de amplificador de transistor . Sin embargo, esto no es necesariamente lo que lo distingue de otros diseños de amplificadores.

Ejemplo de modelo SPICE

Procedamos de inmediato a un análisis SPICE de este circuito amplificador, y podrá ver de inmediato qué tiene de único este amplificador. La lista de conexiones se encuentra en la siguiente figura.

Amplificador colector común para SPICE.

 amplificador de colector común vin 1 0 q1 2 1 3 mod1 v1 2 0 dc 15 rload 3 0 5k .modelo mod1 npn .dc vin 0 5 0,2 .plot dc v (3,0) .fin 

Colector común:la salida es igual a la entrada menos 0,7 V V SER soltar.

A diferencia del amplificador de emisor común de la sección anterior, el colector común produce un voltaje de salida directo en lugar de inverso proporcional al voltaje de entrada ascendente.

A medida que aumenta el voltaje de entrada, también lo hace el voltaje de salida. Además, un examen detenido revela que el voltaje de salida es casi idéntico al voltaje de entrada, con un retraso de aproximadamente 0,7 voltios.

Ésta es la cualidad única del amplificador de colector común:un voltaje de salida que es casi igual al voltaje de entrada . Examinado desde la perspectiva del cambio del voltaje de salida para una determinada cantidad de voltaje de entrada cambiar , este amplificador tiene una ganancia de voltaje de casi la unidad (1), o 0 dB. Esto es válido para transistores de cualquier valor β y para resistencias de carga de cualquier valor de resistencia.

Modelo de transistor de fuente de corriente de diodo

Es sencillo entender por qué el voltaje de salida de un amplificador de colector común es siempre casi igual al voltaje de entrada. Con referencia al modelo de transistor de fuente de corriente de diodo en la figura siguiente, vemos que la corriente de base debe pasar por la unión PN del emisor de base, que es equivalente a un diodo rectificador normal.

Si esta unión está polarizada hacia adelante (el transistor que conduce la corriente en sus modos activo o saturado), tendrá una caída de voltaje de aproximadamente 0,7 voltios, asumiendo una construcción de silicio. Esta caída de 0,7 voltios es en gran medida independiente de la magnitud real de la corriente base; por lo tanto, podemos considerarlo constante:

Seguidor del emisor:el voltaje del emisor sigue al voltaje base (menos una caída de VBE de 0,7 V).

Dadas las polaridades de voltaje a través de la unión PN base-emisor y la resistencia de carga, vemos que estos deben sumar para igualar el voltaje de entrada, siguiendo la Ley de Voltaje de Kirchhoff.

En otras palabras, el voltaje de carga siempre será aproximadamente 0,7 voltios menor que el voltaje de entrada para todas las condiciones en las que el transistor está conduciendo. El corte se produce en voltajes de entrada por debajo de 0,7 voltios y saturación en voltajes de entrada sobre el voltaje de la batería (suministro) más 0,7 voltios.

Debido a este comportamiento, el circuito amplificador de colector común también se conoce como seguidor de voltaje o emisor-seguidor amplificador, porque el voltaje de carga del emisor sigue muy de cerca a la entrada.

La aplicación del circuito de colector común a la amplificación de señales de CA requiere la misma "polarización" de entrada que se usa en el circuito de emisor común:se debe agregar un voltaje de CC a la señal de entrada de CA para mantener el transistor en su modo activo durante todo el ciclo . Cuando se hace esto, el resultado es el amplificador no inversor en la figura siguiente.

 amplificador de colector común vin 1 4 pecado (0 1,5 2000 0 0) vbias 4 0 dc 2,3 q1 2 1 3 mod1 v1 2 0 dc 15 rload 3 0 5k .modelo mod1 npn .tran .02m .78m .plot tran v (1,0) v (3,0) .fin 

Amplificador de colector común (emisor-seguidor).

Los resultados de la simulación SPICE en la Figura siguiente muestran que la salida sigue a la entrada. La salida tiene la misma amplitud pico a pico que la entrada. Sin embargo, el nivel de CC se desplaza hacia abajo por una caída de diodo VBE.

Colector común (emisor-seguidor):La salida V (3) sigue a la entrada V (1) menos una caída de 0,7 V VBE.

Aquí hay otra vista del circuito (Figura siguiente) con osciloscopios conectados a varios puntos de interés.

La ganancia de voltaje no inversora del colector común es muy cercana a 1.

Dado que esta configuración de amplificador no proporciona ninguna ganancia de voltaje (de hecho, en la práctica tiene una ganancia de voltaje ligeramente menos que 1), el único factor amplificador es la corriente. La configuración del amplificador de emisor común examinada en la sección anterior tenía una ganancia de corriente igual a la β del transistor, es que la corriente de entrada pasó por la base y la corriente de salida (carga) pasó por el colector, y β por definición es la relación entre las corrientes de colector y base. Sin embargo, en la configuración de colector común, la carga está situada en serie con el emisor y, por lo tanto, su corriente es igual a la corriente del emisor. Con el emisor llevando corriente de colector y corriente de base, la carga en este tipo de amplificador tiene toda la corriente del colector corriendo a través de él más la corriente de entrada de la base. Esto produce una ganancia actual de β más 1:

Una vez más, los transistores PNP son tan válidos para usar en la configuración de colector común como los transistores NPN. Los cálculos de ganancia son todos iguales, al igual que la no inversión de la señal amplificada. La única diferencia está en las polaridades del voltaje y las direcciones de la corriente que se muestran en la siguiente figura.

Versión PNP del amplificador de colector común.

Una aplicación popular del amplificador de colector común es para fuentes de alimentación de CC reguladas, donde una fuente no regulada (variable) de voltaje de CC se recorta a un nivel específico para suministrar voltaje regulado (constante) a una carga. Por supuesto, los diodos Zener ya proporcionan esta función de regulación de voltaje que se muestra en la siguiente figura.

Regulador de voltaje de diodo Zener.

Sin embargo, cuando se usa de esta manera directa, la cantidad de corriente que se puede suministrar a la carga suele ser bastante limitada. En esencia, este circuito regula el voltaje a través de la carga manteniendo la corriente a través de la resistencia en serie a un nivel lo suficientemente alto como para dejar caer todo el exceso de voltaje de la fuente de energía a través de él, el diodo Zener consume más o menos corriente según sea necesario para mantener el voltaje a través de sí mismo. estable.

Una forma popular de aumentar la capacidad de manejo de corriente de un circuito regulador como este es usar un transistor de colector común para amplificar la corriente a la carga de modo que el circuito de diodo Zener solo tenga que manejar la cantidad de corriente necesaria para impulsar la base de el transistor.

Aplicación de colector común:regulador de voltaje.

Solo hay una advertencia para este enfoque:el voltaje de carga será aproximadamente 0,7 voltios menos que el voltaje del diodo Zener, debido a la caída del emisor base de 0,7 voltios del transistor. Dado que esta diferencia de 0,7 voltios es bastante constante en un amplio rango de corrientes de carga, se puede elegir un diodo Zener con una clasificación 0,7 voltios más alta para la aplicación.

A veces, la alta ganancia de corriente de una configuración de colector común de un solo transistor no es suficiente para una aplicación en particular. Si este es el caso, se pueden montar varios transistores juntos en una configuración popular conocida como par Darlington , solo una extensión del concepto de colector común que se muestra en la figura siguiente.

Un par NPN Darlington.

Los pares de Darlington esencialmente colocan un transistor como la carga del colector común para otro transistor, multiplicando así sus ganancias de corriente. La corriente base a través del transistor superior izquierdo se amplifica a través del emisor de ese transistor, que está conectado directamente a la base del transistor inferior derecho, donde la corriente se amplifica nuevamente. La ganancia de corriente general es la siguiente:

La ganancia de voltaje sigue siendo casi igual a 1 si todo el conjunto está conectado a una carga en forma de colector común, aunque el voltaje de carga será 1,4 voltios menos que el voltaje de entrada que se muestra en la figura siguiente.

El amplificador de colector común basado en pares Darlington pierde dos caídas de diodos VBE.

Los pares Darlington se pueden comprar como unidades discretas (dos transistores en el mismo paquete) o se pueden construir a partir de un par de transistores individuales. Por supuesto, si se desea una ganancia de corriente aún mayor que la que se puede obtener con un par, se pueden construir conjuntos de tripletes o cuatrillizos Darlington.

REVISAR:

• Colector común Los amplificadores de transistor se denominan así porque los puntos de voltaje de entrada y salida comparten el cable colector del transistor en común entre sí, sin considerar ninguna fuente de alimentación.
• El amplificador de colector común también se conoce como emisor-seguidor.
• El voltaje de salida en un amplificador de colector común estará en fase con el voltaje de entrada, haciendo que el colector común sea un no inversor circuito amplificador.
• La ganancia de corriente de un amplificador de colector común es igual a β más 1. La ganancia de voltaje es aproximadamente igual a 1 (en la práctica, solo un poco menos).
• Un par Darlington es un par de transistores "superpuestos" entre sí de modo que el emisor de uno alimenta corriente a la base del otro en forma de colector común. El resultado es una ganancia de corriente general igual al producto (multiplicación) de sus ganancias de corriente de colector común individuales (β más 1).

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Amplificadores BJT de clase A