Técnicas de polarización (BJT)

En la sección de emisor común de este capítulo, vimos un análisis SPICE en el que la forma de onda de salida se parecía a una forma rectificada de media onda:solo se reproducía la mitad de la forma de onda de entrada y la otra mitad estaba completamente cortada. Dado que nuestro propósito en ese momento era reproducir la forma de onda completa, esto constituyó un problema. La solución a este problema fue agregar un pequeño voltaje de polarización a la entrada del amplificador para que el transistor permaneciera en modo activo durante todo el ciclo de onda. Esta adición se denominó voltaje de polarización .

Una salida de media onda no es problemática para algunas aplicaciones. Algunas aplicaciones pueden requerir este mismo tipo de amplificación, porque es posible operar un amplificador en modos distintos a la reproducción de onda completa y las aplicaciones específicas requieren diferentes rangos de reproducción, por lo que es útil describir el grado en que un amplificador reproduce la forma de onda de entrada designándolo según clase . El funcionamiento de la clase de amplificador se clasifica con letras alfabéticas:A, B, C y AB.

Para la clase A operación, toda la forma de onda de entrada se reproduce fielmente.

Clase de amplificador

Clase A

La operación solo se puede obtener cuando el transistor pasa todo su tiempo en el modo activo, sin alcanzar nunca el corte ni la saturación. Para lograr esto, generalmente se establece suficiente voltaje de polarización de CC al nivel necesario para impulsar el transistor exactamente a la mitad entre el corte y la saturación. De esta manera, la señal de entrada de CA estará perfectamente "centrada" entre los niveles de límite de señal alto y bajo del amplificador.

Clase A:la salida del amplificador es una reproducción fiel de la entrada.

Clase B

La operación es lo que tuvimos la primera vez que se aplicó una señal de CA al amplificador de emisor común sin voltaje de polarización de CC. El transistor pasó la mitad de su tiempo en modo activo y la otra mitad en corte con el voltaje de entrada demasiado bajo (¡o incluso con la polaridad incorrecta!) Para polarizar hacia adelante su unión base-emisor.

Clase B:el sesgo es tal que se reproduce la mitad (180 °) de la forma de onda.

Por sí solo, un amplificador que funcione en modo clase B no es muy útil. En la mayoría de las circunstancias, la severa distorsión introducida en la forma de onda al eliminar la mitad de ella sería inaceptable. Sin embargo, la operación de clase B es un modo útil de polarización si dos amplificadores funcionan como un push-pull par, cada amplificador maneja solo la mitad de la forma de onda a la vez:

Amplificador push-pull de clase B:cada transistor reproduce la mitad de la forma de onda. La combinación de las mitades produce una reproducción fiel de toda la ola.

El transistor Q1 "empuja" (impulsa el voltaje de salida en una dirección positiva con respecto a tierra), mientras que el transistor Q2 "tira" del voltaje de salida (en una dirección negativa, hacia 0 voltios con respecto a tierra). Individualmente, cada uno de estos transistores funciona en modo clase B, activo solo durante la mitad del ciclo de forma de onda de entrada. Juntos, sin embargo, ambos funcionan como un equipo para producir una forma de onda de salida idéntica en forma a la forma de onda de entrada.

Una ventaja decidida del diseño de amplificador de clase B (push-pull) sobre el diseño de clase A es una mayor capacidad de potencia de salida. Con un diseño de clase A, el transistor disipa una energía considerable en forma de calor porque nunca deja de conducir corriente. En todos los puntos del ciclo de la onda, está en el modo activo (conductor), conduciendo una corriente sustancial y bajando un voltaje sustancial. Hay una potencia sustancial disipada por el transistor a lo largo del ciclo. En un diseño de clase B, cada transistor pasa la mitad del tiempo en modo de corte, donde disipa energía cero (corriente cero =disipación de energía cero). Esto le da a cada transistor un tiempo para "descansar" y enfriarse mientras que el otro transistor soporta la carga de la carga. Los amplificadores de clase A tienen un diseño más simple, pero tienden a estar limitados a aplicaciones de señales de baja potencia por la simple razón de la disipación de calor del transistor.

Clase AB

Otra clase de operación de amplificador conocida como clase AB está en algún lugar entre la clase A y la clase B:el transistor pasa más del 50% pero menos del 100% del tiempo conduciendo corriente.

Si la polarización de la señal de entrada para un amplificador es ligeramente negativa (opuesta a la polaridad de polarización para la operación de clase A), la forma de onda de salida se "recortará" más que con la polarización de clase B, lo que da como resultado una operación en la que el transistor pasa la mayor parte del tiempo. el tiempo en modo de corte:

Clase C

Clase C:la conducción es por menos de medio ciclo (<180 °).

Al principio, este esquema puede parecer completamente inútil. Después de todo, ¿cuán útil podría ser un amplificador si recorta la forma de onda tan mal como esta? Si la salida se usa directamente sin condicionamiento de ningún tipo, sería de verdad de utilidad cuestionable. Sin embargo, con la aplicación de un circuito de tanque (combinación de inductor-capacitor resonante en paralelo) a la salida, la sobretensión de salida ocasional producida por el amplificador puede poner en movimiento una oscilación de frecuencia más alta mantenida por el circuito del tanque. Esto puede compararse con una máquina en la que un volante pesado recibe una "patada" ocasional para mantenerlo girando:

Amplificador de clase C que impulsa un circuito resonante.

Llamado clase C En funcionamiento, este esquema también disfruta de una alta eficiencia energética, ya que los transistores pasan la mayor parte del tiempo en el modo de corte, donde disipan potencia cero. La tasa de caída de la forma de onda de salida (disminución de la amplitud de oscilación entre las "patadas" del amplificador) se exagera aquí para el beneficio de la ilustración. Debido al circuito de tanque sintonizado en la salida, este circuito solo se puede usar para amplificar señales de amplitud definida y fija. Se puede utilizar un amplificador de clase C en un transmisor de radio FM (modulación de frecuencia). Sin embargo, es posible que el amplificador de clase C no amplifique directamente una señal AM (modulada en amplitud) debido a la distorsión.

Clase D

Otro tipo de funcionamiento del amplificador, significativamente diferente de las clases A, B, AB o C, se denomina Clase D . No se obtiene aplicando una medida específica de voltaje de polarización como son las otras clases de operación, sino que requiere un rediseño radical del circuito amplificador en sí. Es demasiado pronto en este capítulo para investigar exactamente cómo se construye un amplificador de clase D, pero no demasiado pronto para discutir su principio básico de funcionamiento.

Un amplificador de clase D reproduce el perfil de la forma de onda del voltaje de entrada generando una pulsación rápida onda cuadrada salida . El ciclo de trabajo de la forma de onda de salida (tiempo “encendido” versus tiempo de ciclo total) varía con la amplitud instantánea de la señal de entrada. Las gráficas en (Figura siguiente demuestran este principio.

Amplificador de clase D:señal de entrada y salida sin filtrar.

Cuanto mayor sea el voltaje instantáneo de la señal de entrada, mayor será el ciclo de trabajo del pulso de onda cuadrada de salida. Si se puede establecer algún objetivo del diseño de clase D, es evitar el funcionamiento del transistor en modo activo. Dado que el transistor de salida de un amplificador de clase D nunca está en modo activo, solo cortado o saturado, habrá poca energía térmica disipada por él. Esto da como resultado una eficiencia energética muy alta para el amplificador. Por supuesto, la desventaja de esta estrategia es la abrumadora presencia de armónicos en la salida. Afortunadamente, dado que estas frecuencias armónicas suelen ser mucho mayores que la frecuencia de la señal de entrada, se pueden filtrar con un filtro de paso bajo con relativa facilidad, lo que da como resultado una salida que se asemeja más a la forma de onda de la señal de entrada original. La tecnología de clase D se ve típicamente donde se encuentran niveles de potencia extremadamente altos y frecuencias relativamente bajas, como en inversores industriales (dispositivos que convierten CC en energía CA para hacer funcionar motores y otros dispositivos grandes) y amplificadores de audio de alto rendimiento.

Un término que probablemente encontrará en sus estudios de electrónica es algo llamado inactivo , que es un modificador que designa la condición de entrada cero de un circuito. La corriente de reposo, por ejemplo, es la cantidad de corriente en un circuito con voltaje de señal de entrada cero aplicado. El voltaje de polarización en un circuito de transistor fuerza al transistor a operar a un nivel diferente de corriente de colector con voltaje de señal de entrada cero que sin ese voltaje de polarización. Por lo tanto, la cantidad de polarización en un circuito amplificador determina sus valores de reposo.

Corriente de reposo de amplificadores

En un amplificador de clase A, la corriente de reposo debe ser exactamente la mitad de su valor de saturación (a medio camino entre la saturación y el corte, el corte por definición es cero). Los amplificadores de Clase B y Clase C tienen valores de corriente de reposo de cero, ya que se supone que deben cortarse sin aplicar ninguna señal. Los amplificadores de clase AB tienen valores de corriente de reposo muy bajos, justo por encima del límite. Para ilustrar esto gráficamente, a veces se traza una "línea de carga" sobre las curvas características de un transistor para ilustrar su rango de operación mientras está conectado a una resistencia de carga de valor específico que se muestra en la figura siguiente.

Ejemplo de línea de carga dibujada sobre las curvas características del transistor desde el suministro V hasta la corriente de saturación.

Una línea de carga es un gráfico de voltaje de colector a emisor en un rango de corrientes de colector. En la esquina inferior derecha de la línea de carga, el voltaje es máximo y la corriente es cero, lo que representa una condición de corte. En la esquina superior izquierda de la línea, el voltaje es cero mientras que la corriente es máxima, lo que representa una condición de saturación. Los puntos que marcan el lugar donde la línea de carga se cruza con las diversas curvas del transistor representan condiciones de funcionamiento realistas para las corrientes base dadas.

Las condiciones de funcionamiento en reposo pueden mostrarse en este gráfico en forma de un solo punto a lo largo de la línea de carga. Para un amplificador de clase A, el punto de reposo estará en el medio de la línea de carga como en la (Figura siguiente).

Punto de reposo (punto) para clase A.

En esta ilustración, el punto de reposo cae sobre la curva que representa una corriente base de 40 µA. Si cambiáramos la resistencia de carga en este circuito a un valor mayor, afectaría la pendiente de la línea de carga, ya que una mayor resistencia de carga limitaría la corriente máxima del colector en saturación, pero no cambiaría el voltaje colector-emisor en cortar. Gráficamente, el resultado es una línea de carga con un punto superior izquierdo diferente y el mismo punto inferior derecho que en

Línea de carga resultante de una mayor resistencia a la carga.

Observe cómo la nueva línea de carga no intercepta la curva de 75 µA a lo largo de su parte plana como antes. Es muy importante saber esto porque la porción no horizontal de una curva característica representa una condición de saturación. Hacer que la línea de carga intercepte la curva de 75 µA fuera del rango horizontal de la curva significa que el amplificador se saturará a esa cantidad de corriente base. El aumento del valor de la resistencia de carga es lo que provocó que la línea de carga interceptara la curva de 75 µA en este nuevo punto, e indica que la saturación ocurrirá a un valor menor de la corriente base que antes.

Con la vieja resistencia de carga de menor valor en el circuito, una corriente de base de 75 µA produciría una corriente de colector proporcional (corriente de base multiplicada por β). En el primer gráfico de línea de carga, una corriente base de 75 µA dio una corriente de colector casi el doble de la obtenida a 40 µA, como predeciría la relación β. Sin embargo, la corriente del colector aumenta marginalmente entre las corrientes base 75 µA y 40 µA, porque el transistor comienza a perder suficiente voltaje colector-emisor para continuar regulando la corriente del colector.

Para mantener la operación lineal (sin distorsión), los amplificadores de transistor no deben operarse en puntos donde el transistor se saturará; es decir, donde la línea de carga no caerá potencialmente en la porción horizontal de una curva de corriente de colector. Tendríamos que agregar algunas curvas más al gráfico en la Figura siguiente antes de que podamos decir qué tan lejos podríamos "empujar" este transistor con mayores corrientes de base antes de que se sature.

Más curvas de corriente base muestran detalles de saturación.

En este gráfico aparece que el punto de corriente más alta en la línea de carga que cae en la parte recta de una curva es el punto en la curva de 50 µA. Este nuevo punto debe considerarse el nivel de señal de entrada máximo permitido para la operación de clase A. También para la operación de clase A, el sesgo debe establecerse de modo que el punto de reposo esté a medio camino entre este nuevo punto máximo y el límite se muestran en la Figura siguiente.

El nuevo punto de reposo evita la región de saturación.

Ahora que sabemos un poco más sobre las consecuencias de los diferentes niveles de voltaje de polarización de CC, es hora de investigar técnicas prácticas de polarización. Fuente de voltaje de CC (batería) conectada en serie con la señal de entrada de CA para polarizar el amplificador para cualquier clase de operación deseada. En la vida real, la conexión de una batería calibrada con precisión a la entrada de un amplificador simplemente no es práctica. Incluso si fuera posible personalizar una batería para producir la cantidad justa de voltaje para cualquier requisito de polarización dado, esa batería no permanecería indefinidamente en su voltaje de fabricación. Una vez que comenzó a descargarse y su voltaje de salida disminuyó, el amplificador comenzaría a desplazarse hacia la operación de clase B.

Tome este circuito, ilustrado en la sección de emisor común para la simulación SPICE, por ejemplo, en la figura siguiente.

Sesgo de batería base poco práctico.

Esa batería “Vbias” de 2,3 voltios no sería práctico de incluir en un circuito amplificador real. Un método mucho más práctico de obtener voltaje de polarización para este amplificador sería desarrollar los 2.3 voltios necesarios utilizando una red divisoria de voltaje conectada a través de la batería de 15 voltios. Después de todo, la batería de 15 voltios ya está allí por necesidad, y los circuitos divisores de voltaje son fáciles de diseñar y construir. Veamos cómo se vería esto en la siguiente figura.

Polarización del divisor de voltaje.

Si elegimos un par de valores de resistencia para R2 y R3 que producirán 2.3 voltios a través de R3 de un total de 15 voltios (como 8466 Ω para R2 y 1533 Ω para R3), deberíamos tener nuestro valor deseado de 2.3 voltios entre la base y emisor para polarización sin entrada de señal. El único problema es que esta configuración de circuito coloca la fuente de señal de entrada de CA directamente en paralelo con R3 de nuestro divisor de voltaje. Esto no es aceptable, ya que la fuente de CA tenderá a dominar cualquier voltaje de CC que caiga en R3. Los componentes paralelos deben tienen el mismo voltaje, por lo que si una fuente de voltaje de CA se conecta directamente a través de una resistencia de un divisor de voltaje de CC, la fuente de CA "ganará" y no se agregará voltaje de polarización de CC a la señal.

Una forma de hacer que este esquema funcione, aunque puede que no sea obvio por qué funcionará, es colocar un condensador de acoplamiento entre la fuente de voltaje de CA y el divisor de voltaje como se muestra en la Figura siguiente.

El condensador de acoplamiento evita que la polarización del divisor de voltaje fluya hacia el generador de señal.

El capacitor forma un filtro de paso alto entre la fuente de CA y el divisor de voltaje de CC, pasando casi todo el voltaje de la señal de CA en el transistor mientras bloquea todo el voltaje de CC para que no se cortocircuite a través de la fuente de señal de CA. Esto tiene mucho más sentido si comprende el teorema de superposición y cómo funciona. De acuerdo con la superposición, cualquier circuito bilateral lineal se puede analizar de manera fragmentada considerando solo una fuente de energía a la vez, luego agregando algebraicamente los efectos de todas las fuentes de energía para encontrar el resultado final. Si separáramos el condensador y el circuito divisor de voltaje R2-R3 del resto del amplificador, sería más fácil entender cómo funcionaría esta superposición de CA y CC.

Con solo la fuente de señal de CA en efecto y un capacitor con impedancia arbitrariamente baja en la frecuencia de la señal, casi todo el voltaje de CA aparece a través de R3:

Debido a la muy baja impedancia del condensador de acoplamiento a la frecuencia de la señal, se comporta como un cable, por lo que puede omitirse en este paso del análisis de superposición.

Con solo la fuente de CC en efecto, el capacitor parece ser un circuito abierto y, por lo tanto, ni él ni la fuente de señal de CA en corto tendrán ningún efecto en el funcionamiento del divisor de voltaje R2-R3 en la siguiente figura.

El condensador parece ser un circuito abierto en lo que respecta al análisis de CC

Combinando estos dos análisis separados en la Figura siguiente, obtenemos una superposición de (casi) 1.5 voltios CA y 2.3 voltios CD, listos para ser conectados a la base del transistor.

Circuito combinado de CA y CC.

Basta de hablar, ya es hora de realizar una simulación SPICE de todo el circuito del amplificador en la figura siguiente. Usaremos un valor de capacitor de 100 µF para obtener una impedancia arbitrariamente baja (0.796 Ω) a 2000 Hz:

Simulación SPICE de la polarización del divisor de voltaje.

 polarización del divisor de voltaje vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 8466 r3 5 0 1533 q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .modelo mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v (1,0) i (v1) .fin 

Tenga en cuenta la distorsión sustancial en la forma de onda de salida en la Figura anterior. La onda sinusoidal se recorta durante la mayor parte del semiciclo negativo de la señal de entrada. Esto nos dice que el transistor está entrando en modo de corte cuando no debería (asumo un objetivo de operación de clase A como antes). ¿Por qué es esto? Esta nueva técnica de polarización debería darnos exactamente la misma cantidad de voltaje de polarización de CC que antes, ¿verdad?

Con el condensador y la red de resistencias R2-R3 descargados, proporcionará exactamente 2,3 voltios de polarización de CC. Sin embargo, una vez que conectamos esta red al transistor, ya no se descarga. La corriente extraída a través de la base del transistor cargará el divisor de voltaje, reduciendo así el voltaje de polarización de CC disponible para el transistor. Usando el modelo de transistor de fuente de corriente de diodo en la Figura siguiente para ilustrar, el problema de polarización se vuelve evidente.

El modelo de transistor de diodo muestra la carga del divisor de voltaje.

La salida de un divisor de voltaje depende no solo del tamaño de sus resistencias constituyentes, sino también de cuánta corriente se separa de él a través de una carga. La unión PN base-emisor del transistor es una carga que disminuye el voltaje de CC que cae a través de R3, debido al hecho de que tanto la corriente de polarización como el IR3 pasan a través de la resistencia R2, alterando la relación del divisor anteriormente establecida por los valores de resistencia de R2 y R3. Para obtener un voltaje de polarización de CC de 2,3 voltios, los valores de R2 y / o R3 deben ajustarse para compensar el efecto de la carga de corriente base. Para aumentar el voltaje de CC cayó a través de R3, baje el valor de R2, aumente el valor de R3 o ambos.

Sin distorsión de la salida después de ajustar R2 y R3.

 polarización del divisor de voltaje vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 6k <--- R2 disminuyó a 6 k r3 5 0 4k <--- R3 aumentado a 4 k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .modelo mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v (1,0) i (v1) .fin 

Los nuevos valores de resistencia de 6 kΩ y 4 kΩ (R2 y R3, respectivamente) en la Figura anterior dan como resultado una reproducción de forma de onda de clase A, tal como queríamos.

REVISAR:

• Clase A La operación es un amplificador polarizado para estar en modo activo durante todo el ciclo de la forma de onda, reproduciendo así fielmente toda la forma de onda.
• Clase B La operación es un amplificador polarizado para que solo se reproduzca la mitad de la forma de onda de entrada:la mitad positiva o la mitad negativa. El transistor pasa la mitad de su tiempo en el modo activo y la mitad de su tiempo de corte. Los pares complementarios de transistores que funcionan en clase B se utilizan a menudo para proporcionar amplificación de alta potencia en sistemas de señales de audio, y cada transistor del par maneja una mitad separada del ciclo de forma de onda. El funcionamiento de clase B ofrece una mejor eficiencia energética que un amplificador de clase A de potencia de salida similar.
• Clase AB La operación es un amplificador polarizado en un punto entre la clase A y la clase B.
• Clase C es un amplificador polarizado para amplificar solo una pequeña parte de la forma de onda. La mayor parte del tiempo del transistor se pasa en modo de corte. Para que haya una forma de onda completa en la salida, a menudo se usa un circuito de tanque resonante como un "volante" para mantener las oscilaciones durante algunos ciclos después de cada "impulso" del amplificador. Debido a que el transistor no conduce la mayor parte del tiempo, las eficiencias de potencia son altas para un amplificador de clase C.

• Clase D El funcionamiento requiere un diseño de circuito avanzado y funciona según el principio de representar la amplitud instantánea de la señal de entrada mediante el ciclo de trabajo de una onda cuadrada de alta frecuencia. Los transistores de salida nunca operan en modo activo, solo corte y saturación. La poca energía térmica disipada aumenta la eficiencia energética.
• DC bias voltage on the input signal, necessary for certain classes of operation (especially class A and class C), may be obtained through the use of a voltage divider and coupling capacitor rather than a battery connected in series with the AC signal source.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Bipolar Transistor Biasing Circuits Worksheet
• Class A BJT Amplifiers Worksheet
• Class B BJT Amplifiers Worksheet
• Bipolar Junction Transistor (BJT) theory Worksheet