CONFIGURACIÓN BÁSICA DE BASE COMÚN DE UN TRANSISTOR BJT PNP

INTRODUCCIÓN

El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido, consiste en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permiten controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha.

El símbolo de un transistor PNP

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

La flecha en el transistor PNP está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Funcionamiento de un transistor BJT PNP.

Cuando se aplica una pequeña polarización directa a una unión PN (+ a P y – a N) la barrera de potencia se estrecha y circula una corriente elevada, resultado de los movimientos en sentidos opuestos de los portadores mayoritarios. La movilidad de los electrones difiere de la de los huecos y su número también puede ser distinto, de lo que resulta que la contribución de los dos tipos de portadores no es necesariamente la misma. En efecto, el funcionamiento del transistor está basado en una corriente continúa constituida por un solo tipo de portadores mayoritarios: el del emisor.

Para un transistor PNP realizaremos la primera unión PN, del emisor a la base, con un semiconductor tipo P más rico en aceptores que el semiconductor tipo N lo es en donadores. De esto resulta que la corriente continua del emisor a la base esté constituida esencialmente de huecos que se desplazan del emisor a la base, más bien que de los electrones libres que se desplazan de la base al emisor:

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PUEBLA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

VÍCTOR MANUEL PERUSQUÍA ROMERO

EQUIPO 4

Veb

ie

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

4 5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

Vbe

P N

Veb

N Pic

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

4 5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

Vbc

IE

IB

IS

P N P

IC

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

4 5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

Vbe

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

4 5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

Vbc

Figura 1a. Polarización del transistor en la unión base emisor en sentido directo y su curva característica.

Tengamos ahora en cuenta el hecho de que una polarización inversa en una unión PN produce una pequeña corriente debida a la reunión de todos los portadores minoritarios cercanos a la unión. Esta es la corriente de saturación inversa descrita para un diodo común:

Figura 1b. Polarización del transistor en la unión base colector en sentido inverso y su curva característica.

Combinemos ahora estos diodos para formar un transistor PNP (Figura 2). El emisor inyecta huecos a la base a través de la unión PN polarizada en sentido directo; una vez que han atravesado la unión, los huecos se difunden a lo ancho de la base. Los que logran atravesar la base sin recombinarse quedan sometidos al campo atractivo debido a la polarización inversa de la unión NP (base-colector) por tanto, se difunden en el colector, provocando un aumento importante de la corriente base-colector con respecto a la que se produciría con un diodo simple (Figura 2).

Figura 2: Configuración de emisor común

CONDICIONES PARA POLARIZAR UN TRANSISTOR BJT PNP

La notación y los símbolos que se utilizan junto con el transistor en casi todos los textos y manuales que se publican hoy en día se indican en la figura 2; para la configuración de

ie

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

4 5 6 7 8 9

B

C

D

E

F

G

PNPE

B

IE IC

IB

C IC

P N P

IE

IB

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

2 3 4 5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

3 4 5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

Vee

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

Vcc

E C

B

IE (mA)8

7

6

5

4

3

2

1

0 0.2 0.6 0.80.4 1.0 VBE (V)

VCB = 30 V

VCB = 10 V

VCB = 1 V

base común con transistores PNP. La terminología de base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. Por lo regular la base es la terminal más cercana, o que se encuentra en el potencial de tierra. Todas las direcciones de corriente se hacen con respecto al flujo convencional y no al del flujo de electrones:

La flecha en el símbolo gráfico del transistor define la dirección de la corriente (flujo convencional) del emisor, que fluye a través del dispositivo.

En la figura 3 nótese que aparecen las direcciones reales, definidas por medio de la elección del flujo convencional. Nótese en cada caso que, IE = IC + IB. Obsérvese también, que las polaridades aplicadas son tales que permiten establecer una corriente en la dirección que se indica en cada rama. Es decir, se compara la dirección de IE con la polarizada de VEE para cada configuración y la dirección IC con la polaridad de VCC.Para describir en su totalidad el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, como los amplificadores de base común de la figura 3, se requiere de dos conjuntos de características, uno para el punto de excitación o parámetros de entrada y el otro para el lado de la salida. Como se muestra en la figura 4, el conjunto de entrada para el amplificador de base común relacionara la corriente de entrada (IE) con un voltaje de entrada (VBE) para varios niveles de voltaje de salida (VCB).

Figura 4. Características del punto de manejo para un amplificador a transistor de base común.

Figura 3. Notación y símbolos para un transistor PNP

8

7

6

5

4

3

2

1

0-1 5 100 15 VCB (V)20

7 mA

6 mA

5 mA

4 mA

3 mA

2 mA

IE = 1 mA

IE = 0 mA

IC (mA)

Región Activa

Región de Saturación

Región de Corte

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

4 5 6 7 8 9

B

C

D

E

F

G

PNPEIE = 0 IC

IB ICBO = ICO

C

El conjunto de la salida se relaciona con la corriente de entrada (IC) con un voltaje de salida (VCB) para varios niveles de corriente de entrada (IE), según se muestra en la figura 4. El conjunto de características de la salida o colector tiene tres regiones básicas de interés, como se indica en la figura 5 las regiones: activa, de corte y de saturación. La región activa es la que suele utilizarse para los amplificadores lineales (sin distorsión). En la región activa de la unión base-colector se polariza inversamente, mientras que en la unión emisor-base se polariza directamente.

La región activa se define mediante los arreglos de polarización de la figura. En el extremo más bajo de la región activa, la corriente de emisor (IE) es cero, esa es la verdadera corriente del colector, y se debe a la corriente de saturación inversa ICO, como lo señala la figura 5.

Figura 5. Características de salida de un amplificador a transistor de base común.

La corriente ICO real es tan pequeña (μA) en magnitud si se compara con la escala vertical IC (mA) que aparece virtualmente sobre la misma línea horizontal donde IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0 para configuración de base común se muestran en la figura 6. La notación que con más frecuencia se utiliza es ICO en los datos y las hojas de especificaciones es ICBO. Debido a las mejoras en las técnicas de fabricación, el nivel de ICBO para los transistores de propósito general en los rangos de potencia baja y media, por lo regular es tan bajo que puede ignorarse su efecto. Sin embargo, para las unidades de mayor potencia todavía aparecerá en el rango de los microamperes. Recordando que ICBO son sensibles a la temperatura. A mayor temperatura, el efecto ICBO puede convertirse en un factor importante.

8

7

6

5

IE (mA)

Cualquier VCB

Figura 6. Corriente de Saturación Inversa

Obsérvese en la figura 5 que cuando la corriente del emisor se incrementa por arriba de cero, la corriente de colector aumenta a una magnitud en esencia igual a aquella de la corriente del emisor, según se determina por las relaciones básicas de corriente en el transistor. Nótese asimismo el efecto casi nulo de VCB sobre la corriente de colector para la región activa. Las curvas indican con claridad que una primera aproximación de la relación entre IE e IC en la región activa esta especificado por:

IC ¿ IE

Como se infiere por su propio nombre, la región de corte se define como la región en la que la corriente de colector es 0 A, según se indica en la figura 5. Así también:

En la región de corte, tanto la unión base-colector como la unión emisor-base de un transistor tienen polarización inversa.

La región de saturación se define como la región a la izquierda de las características de VCB = 0. La escala horizontal en esta región se expandió para mostrar el cambio radical que sufren las características en esta región. Obsérvese el incremento exponencial en la corriente del colector cuando el voltaje VCB se incrementa hacia los 0 Volts.

En la región de saturación, tanto la región base-colector como la de emisor-base están en polarización directa.

Las características de entrada de la figura 4 revelan que los valores fijos del voltaje del colector (VCB), conforme se incrementa el voltaje emisor-base, la corriente del emisor aumenta de tal manera que es muy similar a las características del diodo. De hecho los niveles crecientes de VCB tienen un efecto tan bajo sobre las características que, como una primera aproximación, se pueden ignorar los cambios ocasionados por VCB y sus características pueden dibujarse como se ilustra en la Figura 7a. Si se aplica la aproximación de segmentos lineales, dará por resultado las características que se presentan en la Figura 7b. Al avanzar un paso más, eh ignorando la pendiente de la curva, y, por tanto, la resistencia asociada con la unión en polarización inversa, se obtendrán las características que se muestran en la Figura 7c. Para los propósitos de análisis, el modelo equivalente de la Figura 7c se utilizará para los análisis subsecuentes en redes de transistores. Es decir, una vez que el transistor se encuentre en estado encendido, se supondrá que el voltaje emisor-base es el siguiente:

8

7

6

5

4

3

2

1

0 0.2 0.6 0.80.4 1.0

IE (mA)

VBE (V)

8

7

6

5

4

3

2

1

0 0.2 0.6 0.80.4 1.0

IE (mA)

VBE (V)

0.7 V

Figura 7a. Desarrollo del modelo equivalente para ser utilizado para la región base-emisor de un amplificador en modo de DC.

En otras palabras, el efecto de las variaciones debidas a VCB y a la pendiente de las características de entrada se omitirán en tanto sea posible analizar las redes de transistores

Figura 7b.

Figura 7c.

VBE = 0.7 V.

de tal manera que ofrezcan una buena aproximación a la respuesta real, sin involucrase demasiado en las variaciones de los parámetros de menor importancia.

Es importante apreciar en su totalidad el enunciado que establece las características de la Figura 7(c). Estas especifican que con el transistor en estado “encendido” o activo, el voltaje base emisor será de 0.7 V a cualquier nivel de corriente de emisor controlada mediante una red externa. Desde la primera vez que se encuentra cualquier configuración de transistor en este modo es posible determinar de inmediato que el voltaje base-emisor es de 0.7 V si el dispositivo se encuentra en la región activa.

Ganancias de voltaje y de corriente de pequeña señal.

La figura 8 muestra el circuito de base común básico, en el cual la base está a la tierra de la señal y la señal de entrada se aplica en el emisor. Suponga que una carga se conecta en la salida a través de un capacitor de acoplamiento CC2.

La figura 9 muestra el circuito equivalente de pequeña señal del circuito de base común, incluyendo el modelo híbrido π del transistor, con la resistencia de salida r0 infinita.

El voltaje de salida de pequeña señal esta dado por:

Al escribir la ecuación de la Ley de Corrientes de Kirchhoff (LCK) en el nodo del emisor, obtenemos:

RS CC1 CC2 V0

RE RC i0

VS RB CB + RL

VEE VCC

+

RS E C V0

- VS RE Vπ r π RC I0 RL

+

Ib

B

Figura 8.

Figura 9.

V 0=−(gmV π )( RC||RL)

Puesto que β=gm r π se obtiene la ecuación:

V π( 1+ βr π

+ 1RE

+ 1RS

)=−V S

RS

Entonces:

V π=−V S

RS[( r π

1+β )||R E||RS]Al sustituir la primera ecuación, con la anterior, encontramos la ganancia de voltaje de pequeña señal, como sigue:

AV =V 0

V S

=gm(RC||RL

RS)[( rπ

1+β )||RE||RS ]Es posible mostrar que cuando RS se aproxima a cero, la ganancia de voltaje de pequeña señal se vuelve:

La figura puede emplearse también para determinar la ganancia de corriente de pequeña

señal. La ganancia de corriente se define como Ai=I 0/ I i . Al escribir una ecuación de

la LCK en el nodo emisor, tenemos:

I i+V π

r π

+gmV π+V π

RE

=0

Resolviendo para Vπ , obtenemos:

V π=−I i[( rπ

1+β )||RE ]La corriente de carga está dada por:

gm V π+V π

rπ

+V π

RE

+V S−(−V π )

RS

=0

AV =gm( RC||RL )

IE IE = IC IB = 0

I 0=−( gm V π )( RC

RC+RL)

Con la combinación de las dos ecuaciones anteriores, obtenemos una expresión para la ganancia de corriente de pequeña señal, como sigue:

AV =I 0

I i

=gm( RC

RC+RL)[( r π

1+ β )||RE ]Si tomamos el límite cuando RE se acerca a infinito y RL se acerca a cero, entonces la ganancia de corriente de corto circuito está dada por:

Ai 0=gm r π

1+β= β

1+β=α

Donde α es la ganancia de corriente de base común del transistor.De acuerdo con lo que indican las ecuaciones anteriores, en el circuito de base común, la ganancia de voltaje de pequeña señal es mayor que 1 y la ganancia de corriente es ligeramente menor que 1. Sin embargo, aun tenemos una ganancia de potencia de pequeña señal. Las aplicaciones del circuito de base común aprovechan las características de la resistencia de entrada y salida.

PROCEDIMIENTO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DE LA POLARIZACIÓN Y PUNTO DE OPERACIÓN

Procedimiento Analítico para el cálculo de la polarización.

La polarización correcta de la configuración de base común en la región activa se puede determinar con rapidez, si se utiliza la aproximación IC = IE, y suponiendo, por el momento que IB = 0 A.

El resultado es la configuración de la Figura 10 para el transistor PNP. La flecha del símbolo define la dirección del flujo convencional para IE = IC. Luego se insertan las fuentes de voltaje con una polaridad tal, que soportaran la dirección resultante de la corriente. Características del montaje base común .

Figura 10.

Características del montaje base común.

Baja altaImpedancia de entrada (40 y 150 Ω)Impedancia de salida (50 KΩ

aproximadamente)Si no

Amplificación de corriente ∎Amplificación de voltaje ∎Ganancia de potencia ∎Señal de entrada y salida en fase

∎

A continuación se da una explicación de cada característica:

1.- Impedancia de entrada relativamente baja. La impedancia de entrada de este montaje es baja y fluctúa aproximadamente entre los 40 y 150 Ω; este bajo valor se debe a como se polariza el diodo en la entrada (directamente).

2.- Impedancia de salida alta. La impedancia de este montaje a la salida es alta y fluctúa alrededor de los 50 KΩ aproximadamente, cuyo alto valor, se debe principalmente a la forma de polarizar el diodo en la salida (inversamente).

3.- No hay amplificación de corriente. Tomando en cuenta que la ganancia de corriente de una etapa a transistor, es el cociente que resulta de dividir la corriente de salida entre la corriente de entrada, en un montaje base común, no se puede obtener una ganancia de corriente, pues siendo la corriente del emisor mayor que la corriente del colector, al dividir la corriente de salida entre la corriente de entrada, el resultado obtenido invariablemente será menor que uno.

4.- Si hay amplificación de tensión. Debido principalmente a la diferencia tan notable que existe entre la impedancia de entrada con relación a la impedancia de salida, las variaciones de voltaje que existen en el circuito de salida son muy elevadas si las comparamos con los pequeños cambios de voltaje que experimenta el circuito de entrada; en consecuencia, la ganancia de voltaje es considerable en estas etapas, cuyo valor puede llegar a 500 veces o más.

5.- Hay ganancia de potencia. Es verdad que estas etapas no aportan ganancia de corriente; pero si proporcionan ganancia de tensión; en consecuencia, al calcular la potencia de señal de entrada y la potencia de señal de salida, encontraremos una diferencia muy notable; en donde la potencia de salida es muchas veces mayor con relación a la de entrada.

6.- Las señales de entrada y salida están en fase. Como se podrá notar realizando pruebas, en montaje base común no hay inversión de fase entre la señal de entrada y la señal de salida. Esto se debe principalmente a la polarización misma del circuito.

ALFA (α)

En el modo de los niveles de IC e IE debidos a los portadores mayoritarios se encuentran relacionados por una cantidad llamada alfa y está definida por la siguiente ecuación:

De donde IC e IE son los niveles de corriente en el punto de operación. Si bien, las características de la figura 5 podrían sugerir que α = 1 para los dispositivos prácticos, el nivel de alfa suele extenderse de 0.90 a 0.998, donde la mayoría se aproxima al extremo alto del rango. Debido a que alfa solo puede definirse para los portadores mayoritarios, la ecuación anterior se convierte en:

I C=α⋅IE+ ICBO

Para las características de la figura 5 cuando IE = 0 mA, IC es por consiguiente igual a ICBO; no obstante, como se menciono antes, el nivel de ICBO es con frecuencia tan pequeño que prácticamente no es posible detectarlo en la grafica de la figura 5. En otras palabras, cuando IE = 0 mA, en la figura 5, IC también parece ser 0 mA para el rango de valores VCB.

Para las situaciones de AC donde el punto de operación se desplaza sobre la curva característica, un alfa de AC se define como:

α=ΔIC

ΔI E Con VCB constante

En términos formales, alfa de AC se denomina como de base común, de corto circuito o factor de amplificación por razones de análisis. Por el momento, se debe reconocer que la ecuación anterior especifica que un cambio relativamente bajo en la corriente del colector se divide entre el cambio correspondiente en IE cuando se mantiene constante el voltaje del colector a la base. En la mayor parte de los casos, alfa de AC y alfa de DC son cercanas, lo cual permite usarlas indistintamente.

Punto de operación

Puesto que la intención de la polarización es alcanzar cierta condición de corriente y voltaje, llamada punto de operación (o punto Q), se brinda alguna atención a la selección de este punto en la característica del dispositivo. El circuito de polarización puede descifrarse para fijar la operación del dispositivo en cualquiera de éstos u otros puntos dentro de la región de operación. La región de operación es el área de la corriente o voltaje dentro de los límites máximos correspondientes al dispositivo particular. Estos valores nominales máximos se indican sobre la característica mediante una línea horizontal para la corriente máxima IMáx y una línea vertical para el voltaje máximo Vmáx. La consideración adicional de la potencia máxima (producto del voltaje y la corriente) debe tomarse en cuenta al definir la región de operación de un dispositivo en particular.

OBTENCIÓN DEL PUNTO DE OPERACIÓN EN FORMA GRÁFICA

α=IC

IE

Primero lo que se hace es obtener el voltaje máximo emisor-colector y la corriente máxima.

Para obtener la corriente ICmax lo que se hace es cortocircuitar la unión base-colector, con lo cual la máxima corriente estará determinada por VCC y RC:

V CE max=V CC

Para obtener la corriente del punto de operación en el cual la corriente de base no será 0,

primero se debe obtener α basándonos en el parámetroβ

α= β1+β

Luego, por medio de la LVK en la malla de emisor-base obtenemos la siguiente ecuación:

I EQ=V BB−V BE

RE

Ahora, usando el parámetroα tenemos que ICQ es:

I CQ=I EQ αPara obtener el voltaje colector-emisor de operación en punto de reposo VCEQ, basándonos en la ecuación de la LVK para la malla colector-base, tenemos:

V ECQ=V CC−( ICQ )( RC )Por último, la corriente IBQ en el punto de trabajo Q será:

I BQ=ICQ

β

I C max=V CC

RC

Características de las Diferentes Configuraciones

CONFIGURACIÓN

Base ComúnEmisor Común Colector

ComúnGanancia de potencia AV > 1 si Si siGanancia de Voltaje AV > 1 si Si noGanancia de corriente Ai > 1 no Si siResistencia de entrada (típica en Ω)

30 3.5 K 580 K

Resistencia de salida (típica en Ω)

3.1 M 200 K 35

Cambio de fase de voltaje no Si si

POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR

Polarizar un transistor es una condición previa a muchas aplicaciones lineales y no lineales ya que establece las corrientes y tensiones en continua que van a circular por el dispositivo.

Figura 1.1. Símbolos y sentidos de referencia para un transistor bipolar a) NPN y b) PNP.

Figura 1.2. Zonas de operación de un transistor en la región directa.

VCB (V)

IC (mA)

Q

Unión de colector Modo de operación

Directa Inversa Activa directa

Inversa Directa Activa inversa

Inversa Inversa Corte

Directa Directa SaturaciónTabla 1.1. Principales modos de operación de un transistor bipolar.

Zonas de funcionamiento del transistor bipolar

ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).

Este parámetro lo suele proporcionar el fabricante dándonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con la temperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer su valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta medida hay que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro mide este parámetro para un valor de corriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en el circuito.

SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamente nulas (y en especial Ic). ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés.

EJEMPLO NUMÉRICO.

Determine el voltaje VCB y la corriente IB para la siguiente configuración de base común:

Con β=180

SOLUCIÓN

Punto Q

4.16

2.73

3.436 10 VCE (V)

IE (mA) = 2.735

IC (mA)

Aplicando las leyes de voltaje de Kirchhoff al circuito de entrada y sustituyendo los valores tenemos:

Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de salida da:

Para obtener el punto Q

I C max=V CC

RC

=4 . 16 mA

V CE max=V CC=10 Vβ=180

α=β1+β

=0. 9944751381

I CQ=V BB−V BE

RE

α=2 .735 mA

V ECQ=V CC−( I CQ )( RC )=V ECQ=V CC−(V BB−V BE )(RC α

RE

)=3 . 436 V

I BQ=I CQ

β=15 .19 μA

−V EE+ I E RE+V BE=0

IE=V EE−V BE

RE

IE=4V - 0 .7V1.2 K Ω

=2.75 mA

-V CB+ IC RC−V CC=0V CB=V CC−IC RC con IC≃IE

V CB=10 V- (2.75 mA )(2 .4 KΩ)=3 .4VV CE=V CB+V EB=3. 4V +0 .7V =4 .1V

I B=I C

β=2 .75 mA

180=15 .27 μA

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 25, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

2 3 4 5 6 7 8 9

D

E

F

G

Q1

Re

Vee Vcc

Rc

Para el siguiente circuito, encontrar VEE, IE, RC, IC y α, si se tiene una IB de 14.8 μA, una β = 180, RE = 680 Ω, VCB = 8.53 V y VCC = 12 V

SOLUCIÓN:

β=I C

I B

∴ IC=I B⋅β

Sustituyendo los valores:I C=(14 . 8 μA )(180)=2.67 mA

Si suponemos que I C≃I E y que en la malla de emisor−base y base−colector aplicando

las leyes de voltaje de kirchoff tenemos:base−emisor :−V EE+ I E RE+V BE=0base−colector :−V CB−IC RC+V CC=0

Despejando de la ecuacion de base−colector para obtener RC obtenemos:

RC=V CC−V CB

I C

=12V−8. 53V2 . 67mA

≈1. 3 KΩ

Despejando de la ecuacion de base−emisor para obtener V EE obtenemos:

V EE=V BE+RE I E=0 .7V +(860Ω)(2 .67 mA )≈3V

Obteniendo V CE =V CE=V BE+V CB=8 .53 V +0. 7 V=9. 23 V

Para obtener α:

α=I C

I E

≈1

IC (mA)

9.23

3.336

7.627

Punto Q

VCE (V)12

IE (mA) =2.349

Para obtener el punto Q:

I CQ=V BB−V BE

RE

α=3 .3363 mA

V ECQ=V CC−( I CQ )( RC )=V ECQ=V CC−(V BB−V BE )(RC α

RE

)=7 . 627 V

I BQ=I CQ

β=18 .53 μA

I C max=V CC

RC

=9 .23 mA

V CE max=V CC=12 Vβ=180

α=β1+β

=0. 9944751381

Determinar los voltajes en todos los nodos y la corriente que circula en toda las ramas en el siguiente circuito.

Como el colector está conectado a una fuente de alimentación negativa (más negativa

que el voltaje de de la base) a través de RC , es posible que el transistor esté operando en modo activo. Si se supone que este es el caso, obtenemos:

I C=αI E

Como no se ha dado valor para β, supondremos que β=100, que resulta en α=0.99. Como grandes variaciones en β resultan en pequeñas diferencias en α, esta suposición no será

crítica en cuanto a determinar el valor de I C se refiere por lo tanto:

I C=(0 .99 )(4 . 65)=4 . 6mA

SOLUCIÓN:

La base de este transistor PNP está a tierra, mientras que el emisor está

conectado a una fuente positiva (V +=10V) a través de RE . Se deduce que la

unión entre emisor base estará polarizada directamente con:

V E=V EB≈0 .7 V

Por lo tanto, la corriente de emisor estará dada por:

I E=V +−V E

RE

=10−0 .72

=4 .65mA

El voltaje de colector será:

V C=V −9+ IC RC=10+( 4 .6 )(1)=5 .4V

Así la unión entre colector y base está polarizada inversamente por 5.4V y el transistor está en el modo activo, que apoya la suposición original.

Para calcular la corriente de base tenemos:

I B=I E

β+1=4 . 65

101≈0 . 05

mA

El valor de β afecta de manera crítica la corriente de la base, pero en este circuito el valor de β no tendrá efecto en el modo de operación del transistor. Como β es generalmente un parámetro mal especificado, este circuito representa un buen diseño. Ic=4.6 mA

VCE= 5.4

Determine el voltaje VCB y la corriente IB para la siguiente configuración de base común, para comprobar la siguiente simulación.

Punto Q

9.199

290

8.5 12 VCE (V)

IE (mA) =290.1999µA

IC (mA)

SOLUCIÒN

Aplicando las leyes de voltaje de Kirchhoff al circuito de entrada y sustituyendo los valores tenemos:

IE=(5V-.7V)/14.74KΩ=291.72µA

Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de salida da:

VCB=12V-((291.72µA) (12KΩ))=8.499V

VCE=8.499V+0.7V=9.199V

IB= (291.72µA)/180=162nA

Para obtener el punto Q

ICMax. = (12V)/ (12KΩ) =1mA

12V

290.1999µA

08.5V

165nA

SIMULACIÓN PROBLEMA 1.

PROBLEMA 2

PROBLEMA 3

PROBLEMA 4

PROBLEMA 5

AMPLIFICADOR CON RESISTOR EN EL EMISOR ACOPLADO CON CAPACITORDiseñe un amplificador con resistor en el emisor con Av= -10, β= 200 y RL= 1kΩ. Para esto se necesitará del empleo de un transistor pnp y se requerirá de una excursión de salida simétrica máxima. Luego verifique el valor de Av empleando una simulación por computadora.

Solución: Es necesario elegir RC = RL = 1k Ω. Empleando la ecuación para Av con el fin de resolver con respecto a RE,

Av =R L≪R C

R ´ Edonde R´E = RE +re. Cuando los valores conocidos se sustituyen en esta ecuación, se calcula que el valor de R´E= 50Ω. Es necesario conocer el valor de re para encontrar RE. Primero se obtiene Rca y Rcd, y luiego se calcula el punto Q del modo siguiente (suponiendo que re es pequeña, de modo que RE ≈ R´E ):

Rca = RE + RC ll RL = 550 Ω.Rcd = RE + RC = 1050 Ω.

El primer paso es calcular la corriente de colector de reposo necesaria para poner el punto Q en el centro de la línea de carga de ca (esto es excursión máxima). La ecuación para esto es:

Ic= −VccR ca+R cd

=−7.5 (mA )

La cantidad, rΠ / β(re), se encuentra se encuentra como sigue.

re¿26 (mV )

lLcl=

26 ( mV )7.5(mA)

=3.47Ω

dando lugar a que RE = 50 - re = 46.5Ω

Si hubiera una especificación de ganancia de corriente o resistencia de entrada para este diseño, se usaría para resolver con respecto al valor de RB. Puesto que no hay tal especificación, se usa la expresión

RB= 0.1 β RE = 0.1(200)(46.5)= 930ΩContinuando luego con los pasos de diseño

Ai= −R BRBβ

+r Πβ

+ℜ

R cRc+RL

=−8.5

VCE = Vcc- (RC + RL)Ic = -4.15V

VBB= Ic RE +R B

β + VBE = -1.08V

R1= R B

1−VBB /Vcc = 10.2 kΩ

R2= R B∗Vcc

VBB = 10.3kΩ

Rin= RB(ℜ+ℜ)RBβ

+ℜ+ℜ

Ro= Rc = 1kΩ

La última igualdad supone que r0 es grande comparada con Rc. La máxima excursión de salida pico a pico no distorsionada está dada por

1.8lIcl(RcllRL)= 1.8(0.0075)(500)= 6.75V

La potencia entregada a la carga y la potencia disipada máxima por el transistor se encuentran empleando las siguientes ecuaciones:

P =12

IcRc

Rc+RL RL =

( I2 ) c∗RL8

= 7mW

Las únicas decisiones que se deben tomar involucran a los capacitores y al transistor. Los capacitores deben actuar como cortos circuitos para las señales de interés y como circuitos abiertos para los voltajes de polarización de para cd. Puesto que o interesa la respuesta de frecuencia en este momento, se fijan los capacitores en valores grandes que están fuera de la realidad, tal como 10000 µF. Las únicas especificaciones del transistor son que β=200 y que el voltaje base-emisor es -0.7V. Los modelos de transistor empleados por el programa de simulación son mucho más complejos e incluyen demasiados parámetros.

En el circuito dado, los resultados producirán un voltaje de base de -1.05V, un voltaje de colector de -5.3V y un voltaje de emisor de -0.31V. Los voltajes de reposo son por tanto:

VBE= -0.74V

VCE= -4.99V

2

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 25, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

2 3 4 5 6 7 8 9

D

E

F

G

Q1

Re

Vee Vcc

Rc

Esto contrasta con los valores calculados de -0.7V y -4.155V. La variación se debe al modelo del transistor (la variación en β y VBE con el punto de operación) y a la tolerancia con los valores del resistor.

PROBLEMA 6

Ejemplo Numérico:Para el siguiente circuito, encontrar VEE, IE, RC, IC y α, si se tiene una IB de 15.4 μA, una β = 190, RE = 500 Ω, VCB = 0.75 V y VCC = 10 V

SOLUCIÓN:

β=I C

I B

∴ IC=I B⋅β

Sustituyendo los valores:I C=(15 . 4 μA )(190 )=2 .926 mA

Si suponemos que I C≃I E y que en la malla de emisor−base y base−colector aplicando

las leyes de voltaje de kirchoff tenemos:base−emisor :−V EE+ I E RE+V BE=0base−colector :−V CB−IC RC+V CC=0

Despejando de10 a ecuacion de base−colector para obtener RC obtenemos:

RC=V CC−V CB

I C

=10 V −0 .75 V2 . 926 mA

≈3162 .01Ω

Despejando de la ecuacion de base−emisor para obtener V EE obtenemos:

V EE=V BE+RE I E=0 .7V +(500Ω)(2 .926 mA )≈2. 163 V

Obteniendo V CE =V CE=V BE+V CB=0 .7 V +0 .75 V=1 . 45 V

Para obtener α:

α=I C

I E

⇒2.926 mA2.926 mA

≈1

Para Obtener el Punto Q

IB=15.4µA

Icmax=VccRc

= 10 V3162Ω

=3.1626 mA

Vce max ¿Vcc=10 Vβ=190

α= β1+β

=190191

=0.99476

I CQ=V BB−V BE

RE

α=0.763500

( 0. 99476 )=1 .5176 mA

V ECQ=V CC−( I CQ )( RC )=5 .202 V

I BQ=I CQ

β=7 . 987 μA

PROBLEMA 7

Del siguiente circuito, calcule:

a) El voltaje VCB b) La corriente IB

c) La grafica del punto de operación

SOLUCIÓN

Aplicando las leyes de voltaje de Kirchhoff a la malla de entrada tenemos:

-VEE+IERE+VBE=0

Despejando la Ie del circuito:

I E=V ee−V BE

RE

Sustituyendo valores:

I E=8V −0.7 V

1.5 KΩ=4.86 mA

Aplicando las leyes de voltaje de Kirchhoff a la malla de entrada tenemos:

-VCC-VCB+ICRC=0

Despejando VCB con IC IE

VCB=VCC-ICRC

Sustituyendo:VCB=15V-(4.86mA)(2.5KΩ)=2.85V

VCE=VCB+VEB=2.85V+0.7V=3.55VLa corriente IB es:

I B=I C

β=4.86 mA

180=27 μA

Para obtener el Punto de operación:

I CMAX=V CC

RC

=6.25 mA

V CMAX=V CC=15 V

β =180

α= ββ+1

=0.994475138

I CQ=V EE−V BE

RE

α=4.83 mA

V ECQ=V CC−( I CQ )( RC )=V ECQ=V CC−(V BB−V BE )(RC α

RE

)=3 .38V

CUESTIONARIO:

1. ¿A qué se debe el término de base común de esta configuración básica?

2. ¿Cuál es el símbolo del transistor BJT PNP en la configuración de base común?

3. ¿Cuáles son las características del montaje de base común?

4. ¿Qué es alfa y como se obtiene?

5. ¿Qué es el punto de operación?

6. ¿Cuáles son las características de la configuración de base común?

IC

P N P

IE

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

4 5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

Vbe

Circuit1

Project 1

Jose Luis

ANov 23, 2003

0001 1.0

1 1

Title:

Designed by:

Checked by:

Approved by:

SizeDate

Document N Revision

Sheet of

4 5 6 7 8 9

C

D

E

F

G

VbcIB

IS

RESPUESTAS DEL CUESTIONARIO:

1. ¿A qué se debe el término de base común de esta configuración básica?

Se debe al hecho de que la base es común tanto a la base como a la salida de la configuración; a su vez, la base es la terminal más cercana al potencial de tierra.

2. ¿Cuál es el símbolo del transistor BJT PNP en la configuración de base común?

3. ¿Cuáles son las características del montaje de base común?

1.- Impedancia de entrada relativamente baja. Fluctúa aproximadamente entre los 40 y 150 Ω; cuyo bajo valor se debe a como se polariza el diodo de entrada, que es del tipo directo.

2.- Impedancia de salida alta. Fluctúa alrededor de los 50 KΩ aproximadamente, cuyo alto valor, se deriva principalmente a la forma de cómo se polariza el diodo de salida, que es del tipo inverso.

3.- No hay amplificación de corriente. Es el cociente que resulta de dividir la corriente de salida entre la corriente de entrada, en un montaje base común, no se puede obtener una ganancia de corriente, pues siendo la corriente del emisor mayor que la corriente del colector, el resultado obtenido invariablemente será menor que uno.

4.- Si hay amplificación de tensión. Debido principalmente a la diferencia tan notable que existe entre la impedancia de entrada con relación a la impedancia de salida, cuyo valor puede llegar a 500 veces o más.

5.- Hay ganancia de potencia. Es verdad que estas etapas no aportan ganancia de corriente; pero si proporcionan ganancia de tensión; en consecuencia, al calcular la potencia de señal de entrada y la potencia de señal de salida, encontraremos una diferencia muy notable; en donde la potencia de salida es muchas veces mayor con relación a la de entrada.

6.- Las señales de entrada y salida están en fase. Como se podrá notar realizando pruebas, en montaje base común no hay inversión de fase entre la señal de entrada y la señal de salida. Esto se debe principalmente a la polarización misma del circuito.

4. ¿Qué es alfa y como se obtiene?

Es una cantidad en el modo de los niveles de IC e IE debidos a los portadores mayoritarios se encuentran relacionados y está definida por la siguiente ecuación:

α=IC

I E

Debido a que alfa solo puede definirse para los portadores mayoritarios, la ecuación anterior se convierte en:

I C=α⋅I E+ I CBO

5.- ¿Qué es el punto de operación?

Puesto que la intención de la polarización es alcanzar cierta condición de corriente y voltaje, llamada punto de operación (o punto Q), se brinda alguna atención a la selección de este punto en la característica del dispositivo. El circuito de polarización puede descifrarse para fijar la operación del dispositivo en cualquiera de éstos u otros puntos dentro de la región de operación. La región de operación es el área de la corriente o voltaje dentro de los límites máximos correspondientes al dispositivo particular. Estos valores nominales máximos se indican sobre la característica mediante una línea

De donde IC e IE son los niveles de corriente en el punto de operación. Si bien, se podrían sugerir que α = 1 para los dispositivos prácticos, el nivel de alfa suele extenderse de 0.90 a 0.998, donde la mayoría se aproxima al extremo alto del rango.

horizontal para la corriente máxima, Imáx y una línea vertical para el voltaje máximo, Vmáx. La consideración adicional de la potencia máxima (producto del voltaje y la corriente) debe tomarse en cuenta al definir la región de operación de un dispositivo en particular.

6.- ¿Cuáles son las características de la configuración de base común?

Base ComúnGanancia de potencia AV > 1 siGanancia de Voltaje AV > 1 siGanancia de corriente Ai > 1 noResistencia de entrada (típica en Ω)

30

Resistencia de salida (típica en Ω)

3.1 M

Cambio de fase de voltaje no

REFERENCIAS CONSULTADAS (BIBLIOGRAFÍA)

TEXTO 1Autor: Prof. Ángel Zetina M. (1978)Título: Transistores en Radio y Televisión.Editorial: Cía. Editorial Continental S.A. de C.V.N° de edición: Séptima Impresión.Lugar de impresión: México DF.N° de Capítulos: 15 Capítulos, 3 Apéndices.N° de páginas: 526

TEXTO 2Autor: P. A. Bolgert (1996).Título: Electrónica.Editorial: Alfa omega Grupo Editor.N° de edición: Primera edición en español.Lugar de impresión: México DF.N° de Capítulos: 11 Capítulos.N° de páginas: 474

TEXTO 3Autor: N. R. MalikTítulo: Circuitos Electrónicos. Análisis, Diseño y Simulación.Editorial: Prentice HallN° de edición: 3ra Reimpresión

Lugar de impresión: Impreso en EspañaN° de Capítulos: 14 Capítulos, 3 ApéndicesN° de páginas: 1136

TEXTO 4Autor: Robert Boylestad (1989)Titulo: Electrónica teoría de circuitosEditorial: Prentice HallN° de edición: Cuarta Impresión Lugar de impresión: México DF N° de Capítulos: 18N° de páginas: 845