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Circuitos Electrónicos

Ingeniería de Telecomunicación

2º Curso (6 crd.)

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1. Amplificadores de uno y dos transistores1.1 Repaso de etapas amplificadoras básicas con un solo transistor

1.2 Repaso de etapas amplificadoras con dos transistores

1.3 Amplificador diferencial

2. Fuentes de corriente y cargas activas2.1 Fuentes de corriente

2.2 Fuentes de corriente como cargas activas

3. Etapas de salida3.1 Clasificación de las etapas de salida.

3.2 Etapa de salida clase A.

3.3 Etapa de salida clase B.

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

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3.4 Etapa de salida clase AB.

3.5 Disipación de potencia en transistores. Transistores depotencia.

4. Amplificador operacional4.1 Análisis de los amplificadores operacionales

4.2 Desviaciones respecto a la idealidad de amplificadoresoperacionales reales

5. Respuesta en frecuencia de amplificadores5.1 Diagramas de Bode

5.2 Respuesta en frecuencia de un amplificador de una etapa

5.3 Respuesta en frecuencia de amplificadores multietapa

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

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6. Realimentación en circuitos electrónicos6.1 Ecuaciones ideales de realimentación

6.2 Propiedades de la realimentación negativa en el diseño deamplificadores

6.3 Configuraciones básicas de realimentación

6.4 Estabilidad de amplificadores realimentados

6.5 Osciladores sinusoidales

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

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TEMA 1

• Ideas básicas: Dispositivos

• Modelos de transistores en pequeña señal

• Análisis de pequeña señal

• Etapas amplificadoras básicas con un solo transistor

• Etapas amplificadoras con dos transistores

• Amplificador diferencial

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TRANSISTOR BIPOLAR

npn pnp

C

E

B

E

C

BIC

IEIB

IE

ICIB

VBE

VCB VEB

VBC

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TRANSISTOR BIPOLAR

VBE

VCEVCE

IB

iC

vBE (V)0.5 0.70

iC

vCE

0

iB1

iB2

iB3

iB4RegiónActivaSaturación

VCE sat

iB=iC/βiC=ISevBE /VT

Corte

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TRANSISTOR BIPOLAR

Dependencia de iC respecto de la tensión de colectorEfecto Early

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TRANSISTOR BIPOLAR

Relaciones corriente - tensión de un transistor BJT operando en la región activa

iC = ISevBE /VT

iB= iC/β = (ΙS/ β)·evBE /VT

iE= iC/α = (ΙS/ α)·evBE /VT

VBE~0.7 V

β = α / (1− α)

iE = (β + 1)· iB

iB = (1 − α)· iE = iE / (β + 1)

Para un transistor pnp sin más habría que cambiar vBE por vEB.

IS = Corriente de saturación -- VT = Voltaje térmico=kT/q~25 mV a temperatura ambienteβ = ganancia en corriente en emisor común -- α = ganancia en corriente en base común

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TRANSISTOR BIPOLAR

Relaciones corriente - tensión de un transistor BJT operando en la región de saturación

VCE ~ VCE,sat ∼ 0.2 V ; VBE ~ 0.7 V

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TRANSISTOR BIPOLAR

Relaciones corriente - tensión de un transistor BJT operando en la región de corte

iC = iB = iE = 0

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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

De puerta aislada De puerta de unión

MOSFETs MESFETs JFETs

Enrequecimiento Empobrecimiento

Canal n Canal p Canal n Canal p Canal n Canal pD

S

G

S

G

D D

S

G

D

S

G

D

G

S

D

G

S

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TRANSISTOR MOSFET

NMOS PMOS

D

S

G

S

D

GID

ISIG=0

IS

ID

IG=0VGS

VDG VSG

VGD

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TRANSISTOR MOSFET

VGS

VDSVDS

iD

vGS (V)1 30

iD

vDS0

VGS1

VGS2

VGS3

VGS4Región

SaturaciónRegiónÓhmica

VDS sat

iD=is

iG=0

Corte

VGS

Vt

iD= (VGS-Vt)2kW2L

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TRANSISTOR MOSFET

Dependencia de iD respecto de la tensión VDS

Modulación de la longitud de canal

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TRANSISTOR MOSFET

Relaciones corriente - tensión de un transistor NMOS operando en la región de saturación

Para un transistor PMOS sin más habría que cambiar el signo de lasexpresiones.

W = Anchura de canal -- L= Longitud de canal -- Vt = Tensión umbralΚ = Transconductancia del transistor (µA/V2)

iD= (vGS-Vt)2kW2L

vGS>Vt

vDG>-Vt

iG=0

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TRANSISTOR MOSFET

Relaciones corriente - tensión de un transistor NMOS operando en la región óhmica

Para un transistor PMOS sin más habría que cambiar el signo de lasexpresiones.

W = Anchura de canal -- L= Longitud de canal -- Vt = Tensión umbralΚ = Transconductancia del transistor (µA/V2)

vGS>Vt

vDG<-Vt

iD= (vGS-Vt- )vDSkWL

vDS

2iG=0

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TRANSISTOR MOSFET

Relaciones corriente - tensión de un transistor NMOS operando en la región de corte

Para un transistor PMOS sin más habría que cambiar el signo de lasexpresiones.

vGS<Vt

vDS>0

iD= 0 iG=0

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TRANSISTOR JFET

Relaciones corriente - tensión de un transistor JFET

vGS>Vp

vDG> -Vp

iD= 0 iG=0

Región de saturación

iD= β (vGS-Vp)2

Región óhmica

iD= β [2(vGS-Vp) vDS-v2DS]

vGS>Vp

vDG< -Vp

Región de corte

vGS<Vp<0vDS> 0

β = Corriente de drenador a fuente con la puerta cortocircuitada con la fuente (µA/V2) Vp = Tensión de estrangulamiento

iG<<0

iG<<0

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TRANSISTOR BIPOLAR

Modelo del transistor a pequeña señal

VBE

VDDRc

IB

IC

IE

+

-VCE

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Modelo del transistor a pequeña señal

TRANSISTOR BIPOLAR

VBE

VDD

Rc

iB

iC

iE

+

-vCE

+-

vbe

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Modelo del transistor a pequeña señal

TRANSISTOR BIPOLAR

VBE

VDD

Rc

iB

iC

iE

+

-vCE

+-

vbe

vBE=VBE+vbe

iC=IsevBE/VT=Ise

(VBE+vbe)/VT=IseVBE/VTevbe/VT=ICevbe/VT

Si vbe<<VT (vbe<10 mV)

iC=IC(1+vbe/VT)

gm =IC/VT Transconductancia

iB=iC/β=IC/β+ICvbe/(βVT)=IB+ib

ib= ICvbe/(βVT)=gmvbe/β

rπ=vbe/ ib =β /gm

rπ resistencia de entrada a pequeña señal entre base yemisor, mirando la base.

ic=(IC/VT) vbe=gm vbe

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Modelo del transistor a pequeña señalModelo híbrido π

TRANSISTOR BIPOLAR

C

E

B

B C

E

+

-

vberπ r0

gmvbe

ib ic

ie

B C

E

+

-

vberπ r0

βib

ib ic

ie

gm =IC/VT

rπ=β/ gm

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Modelo del transistor a pequeña señalModelo T

TRANSISTOR BIPOLAR

C

E

B

gm =IC/VT

re=α/ gm ~VT /IC

B

C

E

+

-

vbe re

αieib

ic

ie

r0

B

C

E

+

-

vbe re

gmvbeib

ic

ie

r0

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Modelo del transistor a pequeña señalTabla resumen

TRANSISTOR BIPOLAR

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Modelo del transistor a pequeña señal

TRANSISTOR MOSFET

iD=(W/2L)k(VGS+vgs-Vt)2

=(W/2L)k(VGS-Vt)2+(W/L)k(VGS-Vt)vgs+(W/2L)kv2

gs

Si vgs << 2(VGS-Vt)

vGS=VGS+vgs

iD=(W/2L)k(VGS-Vt)2+(W/L)k(VGS-Vt)vgs~ID+id

id=(W/L)k(VGS-Vt)vgs=gm vgs

iG=0 rπ=∞

rπ resistencia de entrada a pequeña señal entre puerta yfuente, mirando la puerta.

VGS

VDD

Rc

iG

iD

iS

+

-vDS

+-

vgs

gm =(W/L)k(VGS-Vt)= 2kWID/(L) Transconductancia

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Modelo del transistor a pequeña señal

TRANSISTOR MOSFET

G D

S

+

-

vgs r0gmvgs

ig id

is

gm = 2kWID/(L)rπ= ∞

D

S

G

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Modelo del transistor a pequeña señalEfecto de Cuerpo

TRANSISTOR MOSFET

D

S

GB

G D

S

+

-

vgs r0gmvgs

ig id

is

gmbvbs

B+

-

vbs

gmb = δiD/δvBS| vGS=Cte.vDS=Cte.

gmb = Χ gm

gmb = δVt/δVSB=γ/(2 2φf+VSB)

Χ ∼ 0.1 − 0.3

φf = potencial superfícial en fuerte inversiónγ = parámetro de proceso

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Modelo del transistor a pequeña señalTabla resumen

TRANSISTOR MOSFET

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Ejercicio

Hallar el circuito equivalente a pequeña señal de:

D

S

C

E