Cálculos de polarización de transistores
Aunque los circuitos de conmutación de transistores funcionan sin polarización, es inusual que los circuitos analógicos funcionen sin polarización. Uno de los pocos ejemplos es “TR One, one transistor radio” TR One, Ch 9 con un detector AM (modulación de amplitud) amplificado. Tenga en cuenta la falta de una resistencia de polarización en la base de ese circuito. En esta sección, analizamos algunos circuitos de polarización básicos que pueden establecer un IE de corriente de emisor seleccionado. Dado un IE de corriente de emisor deseado, ¿qué valores de resistencias de polarización se requieren, RB, RE, etc.?
Resistencia de polarización base
El sesgo más simple aplica un sesgo de base resistencia entre la base y una batería de base V BB . Es conveniente utilizar el suministro de VCC existente en lugar de un nuevo suministro de polarización. Un ejemplo de una etapa de amplificador de audio que utiliza polarización de base es “Crystal radio con un transistor. . . ”Crystal radio, Ch 9. Observe la resistencia desde la base hasta el terminal de la batería. En la figura siguiente se muestra un circuito similar. Escriba una ecuación KVL (ley de voltaje de Kirchhoff) sobre el lazo que contiene la batería, RB y la caída del diodo VBE en el transistor en la Figura siguiente. Tenga en cuenta que usamos VBB para el suministro base, aunque en realidad es VCC. Si β es grande, podemos hacer la aproximación de que IC =IE. Para transistores de silicio VBE≅0.7V.
Sesgo de base
Los transistores de señal pequeña de silicio suelen tener un β en el rango de 100-300.
Cálculos de ejemplo:
Suponiendo que tenemos un transistor β =100, ¿qué valor de la resistencia de polarización de base se requiere para producir una corriente de emisor de 1 mA? Resolviendo la ecuación de polarización de base de IE para RB y sustituyendo β, VBB, VBE e IE, se obtienen 930kΩ. El valor estándar más cercano es 910 kΩ.
¿Cuál es la corriente del emisor con una resistencia de 910 kΩ? ¿Cuál es la corriente del emisor si obtenemos aleatoriamente un transistor β =300?
La corriente del emisor cambia poco al usar la resistencia de valor estándar de 910 kΩ. Sin embargo, con un cambio en β de 100 a 300, la corriente del emisor se ha triplicado. Esto no es aceptable en un amplificador de potencia si esperamos que el voltaje del colector oscile de cerca de VCC a cerca de tierra. Sin embargo, para señales de bajo nivel desde microvoltios hasta aproximadamente un voltio, el punto de polarización se puede centrar para un β de la raíz cuadrada de (100 · 300) =173. El punto de sesgo todavía se desviará considerablemente. Sin embargo, las señales de bajo nivel no se recortarán.
La polarización de base no es adecuada para corrientes de emisor altas, como se usa en amplificadores de potencia. La corriente del emisor polarizada en la base no es estable a la temperatura.
Fugitivo térmico es el resultado de una alta corriente del emisor que provoca un aumento de temperatura que provoca un aumento en la corriente del emisor, lo que aumenta aún más la temperatura.
Sesgo de comentarios del recopilador
Las variaciones en la polarización debidas a la temperatura y beta se pueden reducir moviendo el extremo VBB de la resistencia de polarización de base al colector como se muestra en la siguiente figura. Si la corriente del emisor aumentara, la caída de voltaje a través de RC aumenta, disminuyendo VC, disminuyendo IB retroalimentada a la base. Esto, a su vez, disminuye la corriente del emisor, corrigiendo el aumento original.
Escribe una ecuación KVL sobre el bucle que contiene la batería, RC, RB y la gota VBE. Sustituya IC≅IE y IB≅IE / β. Resolver para IE produce la ecuación de sesgo CFB de IE. Resolver para IB produce la ecuación de sesgo de CFB de IB.
Sesgo de retroalimentación del recolector.
Cálculos de ejemplo:
Encuentre la resistencia de polarización de retroalimentación del colector requerida para una corriente de emisor de 1 mA, una resistencia de carga de colector de 4.7K y un transistor con β =100. Encuentre el voltaje del colector VC. Debe estar aproximadamente a medio camino entre VCC y el suelo.
El valor estándar más cercano a la resistencia de polarización de retroalimentación del colector de 460 kΩ es 470 kΩ. Encuentre la corriente del emisor IE con la resistencia de 470KΩ. Vuelva a calcular la corriente del emisor para un transistor con β =100 y β =300.
Vemos que a medida que beta cambia de 100 a 300, la corriente del emisor aumenta de 0,989 mA a 1,48 mA. Esta es una mejora con respecto al circuito de polarización de base anterior que tuvo un aumento de 1.02mA a 3.07mA. El sesgo de retroalimentación del recopilador es dos veces más estable que el sesgo de base con respecto a la variación beta.
Sesgo del emisor
Insertar una resistencia RE en el circuito emisor como en la figura siguiente causa degeneración , también conocido como comentarios negativos . Esto se opone a un cambio en la corriente del emisor IE debido a cambios de temperatura, tolerancias de resistencia, variación beta o tolerancia de la fuente de alimentación. Las tolerancias típicas son las siguientes:resistencia— 5%, beta— 100-300, fuente de alimentación— 5%. ¿Por qué la resistencia del emisor podría estabilizar un cambio en la corriente? La polaridad de la caída de voltaje en RE se debe a la batería colectora VCC. El extremo de la resistencia más cercano al terminal (-) de la batería es (-), el extremo más cercano al terminal (+) es (+). Tenga en cuenta que el extremo (-) de RE está conectado a través de la batería VBB y RB a la base. Cualquier aumento en el flujo de corriente a través de RE aumentará la magnitud del voltaje negativo aplicado al circuito base, disminuyendo la corriente base, disminuyendo la corriente del emisor. Esta corriente decreciente del emisor compensa parcialmente el aumento original.
Sesgo del emisor
Tenga en cuenta que la batería de polarización de base VBB se usa en lugar de VCC para polarizar la base en la figura anterior. Más adelante mostraremos que la polarización del emisor es más efectiva con una batería de polarización base más baja. Mientras tanto, escribimos una ecuación KVL para el bucle a través del circuito base-emisor, prestando atención a la polaridad de los componentes. Sustituimos IB≅IE / β y resolvemos para la corriente del emisor IE. Esta ecuación se puede resolver para RB, ecuación:sesgo de emisor de RB, figura anterior.
Antes de aplicar las ecuaciones:sesgo de emisor RB y sesgo de emisor IE, la figura anterior, debemos elegir valores para RC y RE. RC está relacionado con el suministro de colector VCC y la corriente de colector deseada IC que asumimos es aproximadamente la corriente de emisor IE.
Normalmente, el punto de polarización para VC se establece en la mitad de VCC. Sin embargo, podría establecerse más alto para compensar la caída de voltaje a través de la resistencia del emisor RE. La corriente del colector es la que necesitemos o elijamos. Puede variar desde microamperios hasta amperios, según la aplicación y la clasificación del transistor. Elegimos IC =1mA, típico de un circuito de transistor de pequeña señal.
Cálculos de ejemplo:
Calculamos un valor para RC y elegimos un valor estándar cercano. Una resistencia de emisor que es del 10 al 50% de la resistencia de carga del colector generalmente funciona bien.
Se calculó una resistencia de 883k para RB, se eligió una resistencia de 870k. En β =100, IE es 1.01mA.
Para β =300, las corrientes del emisor se muestran en la tabla siguiente.
Comparación de la corriente del emisor para β =100, β =300.
La tabla anterior muestra que para VBB =10V, la polarización del emisor no hace un buen trabajo para estabilizar la corriente del emisor. El ejemplo de sesgo de emisor es mejor que el ejemplo de sesgo de base anterior, pero no por mucho. La clave para un sesgo de emisor efectivo es reducir el VBB de suministro base más cerca de la cantidad de sesgo del emisor.
Redondeo que es la corriente del emisor por la resistencia del emisor:IERE =(1mA) (470) =0.47V. Además, necesitamos superar el VBE =0.7V. Por lo tanto, necesitamos un VBB> (0.47 + 0.7) V o> 1.17V. Si la corriente del emisor se desvía, este número cambiará en comparación con el suministro de base fijo VBB, provocando una corrección en la corriente de base IB y la corriente de emisor IE. Un buen valor para VB> 1,17 V es 2V.
La resistencia base calculada de 83k es mucho más baja que la anterior 883k. Elegimos 82k de la lista de valores estándar. Las corrientes de emisor con 82k RB para β =100 y β =300 son:
Comparando las corrientes del emisor para la polarización del emisor con VBB =2V en β =100 y β =300 con los ejemplos de circuitos de polarización anteriores en la tabla a continuación, vemos una mejora considerable en 1.75mA, aunque no tan buena como los 1.48mA del colector. comentarios.
Comparación de la corriente del emisor para β =100, β =300.
Para mejorar el rendimiento de la polarización del emisor, aumente la resistencia del emisor RE o disminuya el suministro de la polarización de la base VBB o ambos.
Como ejemplo, duplicamos la resistencia del emisor al valor estándar más cercano de 910Ω.
El RB calculado =39k es una resistencia de valor estándar. No es necesario volver a calcular IE para β =100. Para β =300, es:
El rendimiento del circuito de polarización del emisor con una resistencia de emisor 910 ha mejorado mucho. Consulte la tabla a continuación.
Comparación de la corriente del emisor para β =100, β =300.
Como ejercicio, vuelva a trabajar el ejemplo de polarización del emisor con la resistencia del emisor revertida a 470Ω y el suministro de polarización base reducido a 1,5V.
La resistencia de base de 33k es un valor estándar, la corriente del emisor en β =100 está bien. La corriente del emisor en β =300 es:
La siguiente tabla compara los resultados del ejercicio 1mA y 1.38mA con los ejemplos anteriores.
Comparación de la corriente del emisor para β =100, β =300.
Las ecuaciones de polarización del emisor se han repetido en la siguiente figura con la resistencia interna del emisor incluida para una mejor precisión. La resistencia interna del emisor es la resistencia en el circuito emisor contenido dentro del paquete de transistores. Esta resistencia interna rEE es significativa cuando la resistencia del emisor (externo) RE es pequeña, o incluso cero. El valor de la resistencia interna REE es una función de la corriente del emisor IE, Tabla a continuación.
Derivación de r EE
r EE =KT / I E m donde:K =1,38 × 10 -23 vatios-seg / o C, constante de Boltzman T =temperatura en Kelvins ≅300. Yo E =corriente del emisor m =varía de 1 a 2 para Silicio r EE ≅ 0.026V / I E =26mV / I E
Como referencia, la aproximación de 26 mV se muestra como la ecuación rEE en la Figura siguiente.
Ecuaciones de polarización del emisor con resistencia interna del emisor rEE incluida.
Las ecuaciones de sesgo de emisor más precisas en la figura anterior se pueden derivar escribiendo una ecuación KVL. Alternativamente, comience con las ecuaciones IE emisor-sesgo y RB emisor-sesgo en la Figura anterior, sustituyendo RE con rEE + RE. El resultado son las ecuaciones IE EB y RB EB, respectivamente en la Figura anterior.
Rehaga el cálculo de RB en el ejemplo anterior de sesgo de emisor con la inclusión de rEE y compare los resultados.
La inclusión de rEE en el cálculo da como resultado un valor más bajo de la resistencia base RB como se muestra en la Tabla siguiente. Cae por debajo del valor estándar de resistencia de 82k en lugar de por encima de él.
Efecto de la inclusión de rEE en el RB calculado
Condensador de derivación para RE
Un problema con la polarización del emisor es que una parte considerable de la señal de salida cae a través de la resistencia del emisor RE (figura siguiente). Esta caída de voltaje a través de la resistencia del emisor está en serie con la base y de polaridad opuesta en comparación con la señal de entrada. (Esto es similar a una configuración de colector común que tiene <1 ganancia). Esta degeneración reduce severamente la ganancia de la base al colector. La solución para los amplificadores de señal de CA es pasar por alto la resistencia del emisor con un condensador. Esto restaura la ganancia de CA ya que el capacitor es la abreviatura de señales de CA. La corriente del emisor de CC todavía experimenta una degeneración en la resistencia del emisor, estabilizando así la corriente de CC.
Se requiere Cbypass para evitar la reducción de la ganancia de CA.
El valor del condensador de derivación depende de la frecuencia más baja que se va a amplificar.
Para las frecuencias de radio, Cbpass sería pequeño. Para un amplificador de audio que se extiende hasta 20 Hz, será grande. Una "regla general" para el condensador de derivación es que la reactancia debe ser 1/10 de la resistencia del emisor o menos. El condensador debe diseñarse para adaptarse a la frecuencia más baja que se amplifica. El condensador para un amplificador de audio que cubre de 20 Hz a 20 kHz sería:
Tenga en cuenta que la resistencia interna del emisor rEE no es puenteada por el capacitor de derivación.
Sesgo del divisor de voltaje
La polarización del emisor estable requiere un suministro de polarización de base de bajo voltaje, como se muestra en la figura siguiente. La alternativa a un suministro base VBB es un divisor de voltaje basado en el suministro del colector VCC.
La polarización del divisor de voltaje reemplaza la batería base con el divisor de voltaje.
La técnica de diseño consiste en elaborar primero un diseño de polarización de emisor y luego convertirlo en la configuración de polarización del divisor de voltaje utilizando el teorema de Thevenin. [TK1] Los pasos se muestran gráficamente en la siguiente figura. Dibuja el divisor de voltaje sin asignar valores. Rompe el divisor suelto de la base. (La base del transistor es la carga). Aplique el teorema de Thevenin para obtener una única resistencia equivalente de Thevenin Rth y una fuente de voltaje Vth.
El teorema de Thevenin convierte el divisor de voltaje en suministro único Vth y resistencia Rth.
La resistencia equivalente de Thevenin es la resistencia desde el punto de carga (flecha) con la batería (VCC) reducida a 0 (tierra). En otras palabras, R1 || R2. El voltaje equivalente de Thevenin es el voltaje de circuito abierto (carga eliminada). Este cálculo se realiza mediante el método de relación del divisor de voltaje. R1 se obtiene eliminando R2 del par de ecuaciones para Rth y Vth. La ecuación de R1 está en términos de cantidades conocidas Rth, Vth, Vcc. Tenga en cuenta que Rth es RB, la resistencia de polarización del diseño de polarización del emisor. La ecuación para R2 está en términos de R1 y Rth.
Convierta este ejemplo anterior de polarización de emisor en polarización de divisor de voltaje.
Ejemplo de polarización del emisor convertido a polarización del divisor de voltaje.
Estos valores se seleccionaron o calcularon previamente para un ejemplo de sesgo de emisor
Sustituir VCC, VBB, RB produce R1 y R2 para la configuración de polarización del divisor de voltaje.
R1 es un valor estándar de 220K. El valor estándar más cercano para R2 correspondiente a 38.8k es 39k. Esto no cambia el IE lo suficiente como para que podamos calcularlo. Problemas de ejemplo 1. Calcule las resistencias de polarización para el amplificador cascodo en la siguiente figura. VB2 es el voltaje de polarización para la etapa de emisor común. VB1 es un voltaje bastante alto a 11,5 porque queremos que la etapa de base común mantenga el emisor a 11,5-0,7 =10,8 V, aproximadamente 11 V. (Será de 10 V después de tener en cuenta la caída de voltaje en RB1). Es decir, la etapa de base común es la carga, sustituto de una resistencia, del colector de la etapa de emisor común. Deseamos una corriente de emisor de 1 mA.
Sesgo para un amplificador cascodo.
2. Convierta las resistencias de polarización de la base para el amplificador cascodo en resistencias de polarización del divisor de voltaje impulsadas por el VCC de 20V.
El diagrama final del circuito se muestra en el capítulo "Circuitos analógicos prácticos", "Amplificador en cascode Clase A". . . ”Cascode, cap. 9.
REVISAR:
- Consulte la figura siguiente.
- Seleccione la configuración del circuito de polarización
- Seleccione RC e IE para la aplicación deseada. Los valores para RC e IE normalmente deberían establecer el voltaje del colector VC en 1/2 de VCC.
- Calcule la resistencia base RB para lograr la corriente de emisor deseada.
- Vuelva a calcular el IE de corriente del emisor para resistencias de valor estándar si es necesario.
- Para la polarización del divisor de voltaje, primero realice los cálculos de la polarización del emisor y luego determine R1 y R2.
- Para los amplificadores de CA, un condensador de derivación en paralelo con RE mejora la ganancia de CA. Configure XC≤0.10RE para la frecuencia más baja.
Resumen de ecuaciones de sesgo.
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