Amplificador Emisor Común: Conmutación, Amplificación y Técnicas de Polarización

La configuración de emisor común es un circuito transistor fundamental que sirve tanto como interruptor robusto como amplificador efectivo para señales analógicas. Operando entre sus límites de saturación y corte, un transistor puede controlar precisamente la corriente de colector, permitiendo amplificación lineal de corrientes o voltajes de entrada.

Transistor como Interruptor Simple

En un interruptor NPN clásico, el emisor sirve como nodo común para tanto la fuente de señal como la carga. El esquema abajo ilustra los dos modos operacionales extremos del transistor:

Cuando una celda solar genera una pequeña corriente, el transistor puede saturar y impulsar una lámpara. El brillo de la lámpara es directamente proporcional a la intensidad de luz cayendo en la celda.

Usando la Celda Solar como Medidor de Intensidad Lumínica

Cablear directamente un movimiento de medidor a una celda solar funciona para niveles de luz moderados pero limita sensibilidad porque la celda debe suministrar toda la potencia del medidor. La amplificación es por tanto requerida para mediciones de baja intensidad.

Amplificando Corriente de Celda Solar

Insertar un transistor emisor común impulsa la corriente vista por el medidor por un factor de β (a menudo 100), permitiendo deflexión mucho mayor para la misma luz incidente. La potencia adicional necesaria para mover el medidor viene de una batería externa; el transistor simplemente regula esa corriente.

Como la deflexión del medidor depende solo de la corriente de la celda solar, la lectura permanece precisa sin importar variaciones de voltaje de batería, siempre que la batería pueda entregar la corriente requerida.

Salida de Voltaje desde Resistencia de Carga

Reemplazando el medidor con una resistencia y midiendo el voltaje colector-emisor produce una salida de voltaje invertida que varía linealmente con la corriente de entrada hasta saturación. En saturación, el voltaje colector-emisor nunca cae a cero debido a las uniones del transistor.

Simulación: Voltaje de Colector vs Corriente de Base

Simulaciones SPICE confirman el comportamiento esperado: el voltaje de salida disminuye del voltaje de alimentación a unos décimos de voltio conforme el transistor pasa de corte a saturación.

 *common-emitter amplifier i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v(2,0) .end 

Trazas de voltaje de salida muestran caída perfectamente lineal de 15 V a约 1 V hasta saturación, seguida por declive agudo que asintóticamente se acerca a cero.

De CC a CA: Amplificando Señales de Audio

Los amplificadores emisor común también se usan para amplificar señales de audio. La salida CA de un micrófono puede impulsar un transistor si la unión base-emisor permanece polarizada directamente a lo largo de la forma de onda, lo que requiere un sesgo CC añadido en serie con la fuente de audio.

Sin sesgo, el transistor permanece en corte para medio ciclo, produciendo salida recortada y distorsión audible.

 common-emitter amplifier vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Con el voltaje de sesgo, el transistor se mantiene activo a lo largo del ciclo, reproduciendo fielmente la forma de onda de audio en el altavoz y evitando distorsión.

Fundamentos de Polarización

El sesgo es esencial para amplificación CA con transistores bipolares porque estos dispositivos son inherentemente controlados por corriente y permiten flujo de corriente solo en una dirección. Un sesgo CC asegura polarización directa continua de la unión base-emisor.

Cálculos de Ganancia

La ganancia de corriente iguala el β del transistor (≈100 en nuestras simulaciones), dando una ganancia de corriente de 40 dB. La ganancia de voltaje, sin embargo, depende de la relación de resistencia de carga (R_out) a resistencia de entrada (R_in), y puede expresarse como:

Incrementar la resistencia de carga de 8 Ω a 30 Ω elevó el voltaje de salida de aproximadamente 1 V a 4,4 V, produciendo ganancia de voltaje de 2,95 (≈9,4 dB) verificada por análisis AC SPICE.

 common-emitter amplifier vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

Equivalente PNP

Los transistores PNP pueden usarse en la misma configuración de emisor común, produciendo ganancia e inversión idénticas; solo la polaridad de alimentación se invierte.

Conclusiones Clave

• El amplificador emisor común comparte el nodo emisor entre entrada y salida.
• El sesgo con offset CC es obligatorio para amplificación de señales CA para mantener el transistor en su región activa.
• El voltaje colector-emisor está 180° fuera de fase con la entrada base-emisor —por tanto, amplificador inversor.
• Ganancia de corriente ≈ β; ganancia de voltaje depende de R_out/R_in.