Los transistores bipolares deben estar polarizados correctamentepara funcionar correctamente. En circuitos hechos con dispositivos individuales (circuitos discretos),se emplean comúnmenteredes de polarización que constan de resistencias . Se utilizan disposiciones de polarización mucho más elaboradas en circuitos integrados , por ejemplo, referencias de voltaje de banda prohibida y espejos de corriente . La configuración del divisor de voltaje logra los voltajes correctos mediante el uso de resistencias en ciertos patrones. Al seleccionar los valores de resistencia adecuados, se pueden lograr niveles de corriente estables que varían solo un poco con la temperatura y con propiedades del transistor como β .
El punto de funcionamiento de un dispositivo, también conocido como punto de polarización , punto de reposo , o punto Q , es el punto en las características de salida que muestra el DC tensión colector-emisor ( V ce ) y la corriente de colector ( I c ) sin señal de entrada aplicada.
Requisitos del circuito de polarización
El circuito de polarización estabiliza el punto de funcionamiento del transistor para variaciones en las características del transistor y la temperatura de funcionamiento. La ganancia de un transistor puede variar significativamente entre diferentes lotes, lo que da como resultado puntos operativos muy diferentes para unidades secuenciales en producción en serie o después del reemplazo de un transistor. Debido al efecto Early , la ganancia de corriente se ve afectada por el voltaje colector-emisor. Tanto la ganancia como el voltaje base-emisor dependen de la temperatura. La corriente de fuga también aumenta con la temperatura. Se selecciona una red de polarización para reducir los efectos de la variabilidad del dispositivo, la temperatura y los cambios de voltaje. [1]
Un circuito de polarización puede estar compuesto solo por resistencias o puede incluir elementos como resistencias dependientes de la temperatura, diodos o fuentes de voltaje adicionales, según el rango de condiciones de operación esperadas.
Requisitos de señal para amplificadores de clase A
Para el funcionamiento analógico de un amplificador de clase A , el punto Q se coloca de modo que el transistor permanezca en modo activo (no cambia a funcionamiento en la región de saturación o región de corte) cuando se aplica la entrada. Para el funcionamiento digital, el punto Q se coloca de modo que el transistor haga lo contrario: cambie del estado "encendido" (saturación) al estado "apagado" (corte). A menudo, el punto Q se establece cerca del centro de la región activa de la característica de un transistor para permitir cambios de señal similares en direcciones positivas y negativas.
Consideraciones térmicas
A corriente constante, el voltaje a través de la unión emisor-base V BE de un transistor bipolar disminuye en 2 mV (silicio) y 1.8 mV (germanio) por cada aumento de temperatura de 1 ° C (la referencia es 25 ° C). Según el modelo de Ebers-Moll , si el voltaje base-emisor V BE se mantiene constante y la temperatura aumenta, la corriente a través del diodo base-emisor I B aumentará y, por lo tanto, la corriente de colector I C también aumentará. Dependiendo del punto de polarización, la potencia disipada en el transistor también puede aumentar, lo que aumentará aún más su temperatura y agravará el problema. Esta retroalimentación positiva perjudicial da como resultado una fuga térmica . [2] Hay varios enfoques para mitigar la fuga térmica del transistor bipolar. Por ejemplo,
- Se puede incorporar retroalimentación negativa en el circuito de polarización para que el aumento de la corriente del colector conduzca a una disminución de la corriente base. Por lo tanto, la creciente corriente del colector estrangula su fuente.
- Se pueden usar disipadores de calor que eliminen el calor adicional y eviten que aumente la temperatura de la base-emisor.
- El transistor se puede polarizar de modo que su colector sea normalmente menos de la mitad del voltaje de la fuente de alimentación, lo que implica que la disipación de energía del colector-emisor está en su valor máximo. La fuga es entonces imposible porque el aumento de la corriente del colector conduce a una disminución de la potencia disipada; esta noción se conoce como el principio de media tensión.
Los circuitos a continuación demuestran principalmente el uso de retroalimentación negativa para evitar la fuga térmica.
Tipos de circuito de polarización para amplificadores de clase A
La siguiente discusión trata cinco circuitos de polarización comunes usados con amplificadores de transistores bipolares de clase A:
- Sesgo fijo
- Sesgo de coleccionista a base
- Sesgo fijo con resistor de emisor
- Polarización del divisor de voltaje o divisor de potencial
- Sesgo del emisor
Sesgo fijo (sesgo de base)
Esta forma de sesgo también se denomina sesgo de base o sesgo de resistencia fija . En la imagen de ejemplo de la derecha, la fuente de alimentación única (por ejemplo, una batería) se usa tanto para el colector como para la base de un transistor, aunque también se pueden usar baterías separadas.
En el circuito dado,
- V cc = I b R b + V ser
Por lo tanto,
- Yo b = (V cc - V be ) / R b
Para un transistor dado, V be no varía significativamente durante el uso. Como V cc es de valor fijo, al seleccionar R b , la corriente de base I b es fija. Por lo tanto, este tipo se denomina tipo de circuito de polarización fija .
Además, para el circuito dado,
- V cc = yo c R c + V ce
Por lo tanto,
- V ce = V cc - I c R c
La ganancia de corriente de emisor común de un transistor es un parámetro importante en el diseño de circuitos y se especifica en la hoja de datos de un transistor en particular. Se denota como β en esta página.
Porque
- Yo c = βI b
también podemos obtener I c . De esta manera, el punto de operación dado como (V ce , I c ) se puede establecer para un transistor dado.
Ventajas:
- El punto de funcionamiento se establece mediante una única resistencia R B y el cálculo es muy sencillo.
Desventajas:
- Dado que el sesgo lo establece la corriente de base, la corriente del colector es directamente proporcional a β. Por lo tanto, el punto de funcionamiento variará significativamente cuando se intercambian los transistores y es inestable bajo los cambios de temperatura.
- Para transistores de pequeña señal (por ejemplo, no transistores de potencia) con valores relativamente altos de β (es decir, entre 100 y 200), esta configuración será propensa a la fuga térmica . En particular, el factor de estabilidad , que es una medida del cambio en la corriente del colector con cambios en la corriente de saturación inversa , es aproximadamente β + 1. Para garantizar la estabilidad absoluta del amplificador, se prefiere un factor de estabilidad de menos de 25, por lo que los transistores de pequeña señal tienen grandes factores de estabilidad. [ cita requerida ]
Uso:
Debido a los inconvenientes inherentes anteriores, la polarización fija rara vez se usa en circuitos lineales (es decir, aquellos circuitos que usan el transistor como fuente de corriente). En cambio, a menudo se usa en circuitos donde el transistor se usa como interruptor. Sin embargo, una aplicación de polarización fija es lograr un crudo control automático de ganancia en el transistor alimentando la resistencia base desde una señal de CC derivada de la salida de CA de una etapa posterior.
Sesgo de retroalimentación del recopilador
Esta configuración emplea retroalimentación negativa para evitar la fuga térmica y estabilizar el punto de operación. En esta forma de polarización, la resistencia base está conectado al colector en lugar de conectarlo a la fuente de CC . Entonces, cualquier fuga térmica inducirá una caída de voltaje a través del resistencia que estrangulará la corriente base del transistor.
De la ley de voltaje de Kirchhoff , el voltaje a través de la resistencia base es
Según el modelo de Ebers-Moll ,, y entonces
De la ley de Ohm , la corriente base, y entonces
Por lo tanto, la corriente de base es
Si se mantiene constante y la temperatura aumenta, entonces la corriente del colector aumenta. Sin embargo, un mayor provoca la caída de voltaje a través de la resistencia para aumentar, lo que a su vez reduce el voltaje a través de la resistencia base . Una caída de voltaje de la resistencia de base más baja reduce la corriente de base, lo que da como resultado una menor corriente de colector . Debido a que se opone un aumento en la corriente del colector con la temperatura, el punto de operación se mantiene estable.
Ventajas:
- El circuito estabiliza el punto de funcionamiento frente a variaciones de temperatura y β (es decir, sustitución del transistor).
- El circuito estabiliza el punto de operación (como una fracción de ) contra variaciones en .
Desventajas:
- Aunque pequeños cambios en β están bien, grandes cambios en β cambiarán en gran medida el punto de operación. debe elegirse una vez que β se conoce con bastante precisión (quizás dentro de ~ 25%), sin embargo, la variabilidad de β entre partes "idénticas" suele ser mayor que esto.
- En este circuito, para mantener independiente de , se debe cumplir la siguiente condición:
cual es el caso cuando
- Como -el valor es fijo (y generalmente desconocido) para un transistor dado, esta relación puede satisfacerse manteniendo bastante grande o haciendo muy bajo.
- Si es grande, un alto es necesario, lo que aumenta el costo, así como las precauciones necesarias durante la manipulación.
- Si es baja, la polarización inversa de la región colector-base es pequeña, lo que limita el rango de oscilación del voltaje del colector que deja al transistor en modo activo.
- La resistencia provoca una retroalimentación de CA , lo que reduce la ganancia de voltaje del amplificador. Este efecto indeseable es una compensación por una mayor estabilidad del punto Q. Sin embargo, se puede utilizar una red T (RCR) para reducir la retroalimentación de CA, que, sin embargo, plantea una carga más pesada en el colector que la simple resistencia de retroalimentación. A frecuencias más altas se puede utilizar una red de retroalimentación RL, sin embargo, introducirá picos en la respuesta de frecuencia en varios puntos.
Uso: La retroalimentación negativa también aumenta la impedancia de entrada del amplificador visto desde la base, lo que puede ser ventajoso. Debido a la reducción de la ganancia de la retroalimentación, esta forma de sesgo se usa solo cuando se justifica el compromiso por la estabilidad.
Sesgo fijo con resistor de emisor
El circuito de polarización fija se modifica conectando una resistencia externa al emisor. Esta resistencia introduce una retroalimentación negativa que estabiliza el punto Q. De la ley de voltaje de Kirchhoff , el voltaje a través de la resistencia base es
Según la ley de Ohm , la corriente base es
La forma en que la retroalimentación controla el punto de sesgo es la siguiente. Si V be se mantiene constante y la temperatura aumenta, la corriente del emisor aumenta. Sin embargo, un I e mayor aumenta el voltaje del emisor V e = I e R e , que a su vez reduce el voltaje V Rb a través de la resistencia base. Una caída de voltaje de la resistencia de base más baja reduce la corriente de base, lo que resulta en menos corriente de colector porque I c = β I b . La corriente del colector y la corriente del emisor están relacionadas por I c = α I e con α ≈ 1, por lo que el aumento de la corriente del emisor con la temperatura es opuesto y el punto de funcionamiento se mantiene estable.
De manera similar, si el transistor es reemplazado por otro, puede haber un cambio en I c (correspondiente al cambio en el valor β, por ejemplo). Mediante un proceso similar al anterior, el cambio se niega y el punto de operación se mantiene estable.
Para el circuito dado,
Ventajas:
El circuito tiende a estabilizar el punto de funcionamiento frente a cambios de temperatura y valor β.
Desventajas:
- En este circuito, para mantener I C independiente de β, se debe cumplir la siguiente condición:
que es aproximadamente el caso si
- Como el valor β se fija para un transistor dado, esta relación puede satisfacerse manteniendo R e muy grande o haciendo que R B sea muy baja.
- Si R e es de un valor grande, es necesario un V cc alto . Esto aumenta el costo y las precauciones necesarias durante la manipulación.
- Si Rb es bajo, se debe utilizar una fuente de bajo voltaje separada en el circuito base. El uso de dos suministros de diferentes voltajes no es práctico.
- Además de lo anterior, R e provoca una retroalimentación de CA que reduce la ganancia de voltaje del amplificador.
Uso:
La retroalimentación también aumenta la impedancia de entrada del amplificador cuando se ve desde la base, lo que puede ser ventajoso. Debido a las desventajas anteriores, este tipo de circuito de polarización se usa solo con una consideración cuidadosa de las compensaciones involucradas.
Sesgo estabilizado por colector.
Polarización del divisor de voltaje o polarización del emisor
El divisor de voltaje se forma utilizando resistencias externas R 1 y R 2 . El voltaje a través de R 2 polariza la unión de emisor. Mediante la selección adecuada de las resistencias R 1 y R 2 , el punto de funcionamiento del transistor puede independizarse de β. En este circuito, el divisor de voltaje mantiene el voltaje base fijo independientemente de la corriente base, siempre que la corriente del divisor sea grande en comparación con la corriente base. Sin embargo, incluso con un voltaje de base fijo, la corriente del colector varía con la temperatura (por ejemplo), por lo que se agrega una resistencia de emisor para estabilizar el punto Q, similar a los circuitos anteriores con resistencia de emisor. La configuración del divisor de voltaje logra los voltajes correctos mediante el uso de resistencias en ciertos patrones. Al manipular las resistencias de ciertas maneras, puede lograr niveles de corriente más estables sin que el valor β lo afecte demasiado.
En este circuito el voltaje base viene dado por:
voltaje a través
- previsto .
También
Para el circuito dado,
Ventajas:
- El punto de funcionamiento es casi independiente de la variación β.
- Punto de funcionamiento estabilizado frente al cambio de temperatura.
Desventajas:
- En este circuito, para mantener I C independiente de β, se debe cumplir la siguiente condición:
que es aproximadamente el caso si
donde R 1 || R 2 denota la resistencia equivalente de R 1 y R 2 conectados en paralelo.
- Como el valor β se fija para un transistor dado, esta relación puede satisfacerse manteniendo R E bastante grande o haciendo que R 1 || R 2 sea muy bajo.
- Si R E tiene un valor grande, es necesario un V cc alto . Esto aumenta el costo y las precauciones necesarias durante la manipulación.
- Si R 1 || R 2 es bajo, o R 1 es bajo o R 2 es bajo, o ambos son bajos. Un R 1 bajo eleva Vb más cerca de V c , reduciendo la oscilación disponible en el voltaje del colector y limitando el tamaño de Rc sin sacar el transistor del modo activo. Un R 2 bajo reduce V be , reduciendo la corriente de colector permitida. La reducción de ambos valores de resistencia extrae más corriente de la fuente de alimentación y reduce la resistencia de entrada del amplificador como se ve desde la base.
- La retroalimentación de CA y CC es causada por R e , que reduce la ganancia de voltaje de CA del amplificador. A continuación se analiza un método para evitar la retroalimentación de CA mientras se retiene la retroalimentación de CC.
Uso:
La estabilidad y los méritos del circuito mencionados anteriormente lo hacen ampliamente utilizado para circuitos lineales.
Divisor de voltaje con condensador de bypass de CA
El circuito divisor de voltaje estándar discutido anteriormente tiene un inconveniente: la retroalimentación de CA causada por la resistencia R E reduce la ganancia. Esto se puede evitar colocando un condensador (C e ) en paralelo con R e , como se muestra en el diagrama del circuito. El resultado es que el punto de funcionamiento de CC está bien controlado, mientras que la ganancia de CA es mucho más alta (acercándose a β), en lugar del valor mucho más bajo (pero predecible) de sin el condensador.
Sesgo del emisor
Cuando está disponible una fuente dividida (fuente de alimentación dual), este circuito de polarización es el más efectivo y proporciona voltaje de polarización cero en el emisor o colector para la carga. El suministro negativo V ee se usa para desviar hacia adelante la unión del emisor a través de R e . El suministro positivo V cc se utiliza para invertir la polarización de la unión del colector. Solo se necesitan dos resistencias para la etapa de colector común y cuatro resistencias para el emisor común o la etapa de base común.
Lo sabemos,
V b - V e = V be
Si R b es lo suficientemente pequeño, el voltaje base será aproximadamente cero. Por lo tanto, la corriente del emisor es,
Es decir = (V ee - V be ) / R e
El punto de funcionamiento es independiente de β si Re >> R b / β
Ventajas:
Desventajas:
Este tipo solo se puede utilizar cuando hay disponible una fuente de alimentación dividida (doble).
Amplificadores de clase B y AB
Requisitos de señal
Los amplificadores de Clase B y AB emplean 2 dispositivos activos para cubrir los 360 grados completos del flujo de la señal de entrada. Por lo tanto, cada transistor está polarizado para funcionar en aproximadamente 180 grados de la señal de entrada. El sesgo de clase B es cuando la corriente de colector I c sin señal es conductora (aproximadamente el 1% del valor máximo posible). El sesgo de clase AB es cuando la corriente del colector I c es aproximadamente 1/4 del valor máximo posible. El circuito amplificador de salida push-pull de clase AB que se muestra a continuación podría ser la base para un amplificador de audio de potencia moderada.
Q3 es una etapa de emisor común que proporciona amplificación de la señal y la corriente de polarización de CC a través de D1 y D2 para generar una tensión de polarización para los dispositivos de salida. El par de salida está organizado en clase AB push-pull, también llamado par complementario. Los diodos D1 y D2 proporcionan una pequeña cantidad de polarización de voltaje constante para el par de salida, simplemente polarizándolos en el estado conductor para minimizar la distorsión de cruce. Es decir, los diodos empujan la etapa de salida al modo de clase AB (asumiendo que la caída del emisor base de los transistores de salida se reduce por la disipación de calor).
Este diseño estabiliza automáticamente su punto de funcionamiento, ya que la retroalimentación general opera internamente desde CC hasta el rango de audio y más allá. El uso de polarización de diodo fijo requiere que los diodos estén conectados eléctrica y térmicamente a los transistores de salida. Si los transistores de salida conducen demasiado, pueden sobrecalentarse fácilmente y destruirse, ya que la corriente total de la fuente de alimentación no está limitada en esta etapa.
Una solución común para ayudar a estabilizar el punto de operación del dispositivo de salida es incluir algunas resistencias de emisor, típicamente un ohmio más o menos. El cálculo de los valores de las resistencias y los condensadores del circuito se realiza en función de los componentes empleados y el uso previsto del amplificador.
Ver también
Referencias
- ^ Paul Horowitz, Winfield Hill, Segunda edición del arte de la electrónica , Cambridge University Press, 1989, ISBN 0-521-37095-7 , págs. 73-75
- ^ AS Sedra y KC Smith (2004). Circuitos microelectrónicos (5ª ed.). Nueva York: Oxford University Press. 397 , Figura 5.17 y p. 1245. ISBN 0-19-514251-9.
Otras lecturas
- Patil, PK; Chitnis, MM (2005). Dispositivos eléctricos básicos y semiconductores . Phadke Prakashan.
enlaces externos
- Sesgo - de la Enciclopedia Sci-Tech
- Serie de capacitación en ingeniería eléctrica: tipos de sesgo