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7/25/2019 Comunidad Emagister 5896 Transistor 2

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APUNTE: CONFIGURACIONES DEL TRANSITOR

rea de EET


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Derechos Reservados

Titular del Derecho: INACAP

N de inscripcin en el Registro de Propiedad Intelectual # ___ . ____ de fecha ___-___-___.

INACAP 2002.


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INDICE

Configuracin del Transistor... Pg. 04

Base Comn................. Pg. 04Configuracin de Emisor Comn.... Pg. 05Configuracin de Colector Comn. Pg. 07

Limites de Operacin del Transistor................. Pg. 09Punto de Operacin Q o Punto Quiescente..... Pg. 10

Calculo de Punto Operacin Q Pg. 11


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CONFIGURACIONES DEL TRANSITOR

a) Base Comn

La terminologa relativa a base comnse desprende del hecho de que la base escomn a los lados de entrada y salida de la configuracin. Adems, la basees

usualmente la terminal ms cercana o en un potencial de tierra como se muestraen la figura 11 con transistores pnpy npn.. Esta figura indica adems los sentidosde la corriente convencional (Flujo de Huecos).

Figura #11 Configuracin de base comn.

De la figura #11, se puede observar que en cada caso IE = IC + IB. Tambin se

nota que la polarizacin aplicada (fuentes de voltaje) es de modo que se

establezca la corriente en la direccin indicada para cada rama. Es decir,comprese la direccin de IEcon la polaridad o VEEpara cada configuracin y ladireccin de ICcon la polaridad de VCC.Para describir por completo el comportamiento de un dispositivo de tres

terminales, se requiere de dos conjuntos de caractersticas, uno para losparmetros de entrada o punto de manejoy el otro para el lado de salida.El

conjunto de entrada para el amplificador de base comn, como se muestra en lafigura 12, relacionar una corriente de entrada (IE) con un voltaje de entrada (VBE) para varios niveles de voltaje de salida (VCB).

Como se observa en la figura #12, lo que se tiene es la curva equivalente a la

zona directa de un diodo, especialmente cuando la salida est polarizada muyinversamente, (VCB > 10V).

El conjunto de salida relacionar una corriente de salida (IC ) con un voltaje desalida VCB para diversos niveles de corriente de entrada ( IE). Esto es,corresponde a la zona inversa del diodo y por tanto, corresponde a una corriente

bsicamente constante sin importar el valor del voltaje inverso. Esto quiere decir,sern lneas rectas a lo largo del Eje que partir de un valor aproximado a 0,6V.

Para un transistor de Silicio.


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Figura #12: Curva caracterstica de entrada

b) Configuracin de Emisor Comn La configuracin de transistores que se encuentra con mayor frecuencia se

muestra en la figura #13 para los transistorespnpy npn.Se denominaconfiguracin de emisor comn porque el emisor es comn tanto a las terminalesde entrada como a las de salida (en este caso, es tambin comn a las terminales

de la base y del colector).

Figura #13

De nuevo se necesitan dos conjuntos de caractersticas para describir en formacompleta el comportamiento de la configuracin de emisor comn: una para laentrada ocircuito de la basey una para la salida ocircuito del colector.Ambas semuestran en la figura 14.


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Figura 14

Las corrientes del emisor, colector y la base se muestran en su direccin de

comente convencional real. Aun cuando la configuracin del transistor hacambiado, siguen siendo aplicables las relaciones de corrientes desarrolladasantes para la configuracin de base comn.

En la configuracin de emisor comn las caractersticas de la salida sernunagrfica de la corriente de salida (IC)versus el voltaje de salida (VCE)para un

rango de valores de la corriente de entrada (IB).Las caractersticas de la entradason una grfica de la comente de entrada (IB) versus el voltaje de entrada (VBE)

para un rango de valores del voltaje de salida (VCE). Obsrvese que en lascaractersticas de la figura14 la magnitud de IBes del orden de microamperescomparada con los miliamperes de IC. Ntese tambin que las curvas de IB no

son tan horizontales como las que se obtuvieron para IEen la configuracin debase comn, lo que indica que el voltaje de colector a emisor afectar la magnitudde la corriente de colector.

La regin activa en la configuracin de emisor comn es aquella parte delcuadrante superior derecho que tiene la linealidad mayor, esto es, la regin en la

que las curvas correspondientes a IB son casi lneas rectas y se encuentranigualmente espaciadas. 14 a esta regin se localiza a la derecha de la lneasombreada vertical en VCEsatpor encima de la curva para IB igual a cero. La

regin a la izquierda de VCEsatse denomina regin de saturacin. En la reginactiva de un amplificador emisor comn la unin colector-base est polarizada

inversamente, en tanto que la unin base-emisor est polarizada directamente.Se recordar que stas fueron las mismas condiciones que existieron en la reginactiva de la configuracin de base comn. La regin activa de la configuracin de

emisor comn puede emplearse en la amplificacin de voltaje, corriente opotencia.

La regin de corte en la configuracin de emisor comn no est tan bien definidacomo en la configuracin de base comn. Ntese, en las caractersticas decolector de la figura 14 que IC no es igual a cero cuando IB= 0. En la

configuracin de base comn, cuando la corriente de entrada IE = 0, la corriente

de colector fue slo igual a la corriente de saturacin inversa ICO,por lo que lacurva IE = 0 y el eje de voltaje fueron (para todos los propsitos prcticos) uno.La razn de esta diferencia en las caractersticas del colector puede obtenersemediante la manipulacin adecuada de las ecuaciones (1.2). Es decir, Ecuacin

(1.2): IC= ? IE+ICBO


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Sustituyendo se tiene: IC= ? (IC+IB) + ICBO Reordenando obtenemos:

Si consideramos el caso discutido: anteriormente, dondeIB= 0 A, y sustituimosun valor tpico de ? tal como 0.996, la corriente de colector resultante es la

siguiente:

Si ICBO fuera de 1?A, la corriente de colector resultante con IB= 0 A seria: 250

(1pA) = 0.25mA, como se refleja en las caractersticas de la figura 14. Para

referencia futura, a lacorriente de colector definida por la condicin IB= 0?A se leasignar la notacin indicada por la ecuacin

(1.9):

En la figura 13 las condiciones que envuelven a esta corriente definidanuevamente se muestran con su direccin de referencia asignada.Para propsitos de amplificacin lineal (la menor distorsin) el corte para la

configuracin de emisor comn se determinar mediante IC= ICEO. En otraspalabras, la regin por debajo de IB= 0 A deber evitarse si se requiere una seal

de salida sin distorsin.Cuando se emplea como interruptor en la circuitera lgica de una computadora,un transistor tendr dos puntos de operacin de inters: uno en el corte y el otro

en la regin de saturacin. La condicin de corte, en el caso ideal, sera IC= O Apara el voltaje VCEelegido. Puesto que ICEOes por lo general de pequea

magnitud para los materiales de silicio, el corte existir para propsitos deconmutacin cuando IB =O A o IC= ICEO nicamente en el caso de transistoresde silicio. En los transistores de germanio, sin embargo, el corte para propsitos

de conmutacin se definir como aquellas condiciones que existen cuando IC=ICBO.Esta condicin puede obtenerse normalmente en los transistores de

germanio polarizando inversamente la unin de base emisor, polarizada por loregular en forma directa a unos cuantos dcimos de volt.Recurdese para la configuracin de base comn que el conjunto de

caractersticas de entrada se aproxim por una lnea recta equivalente que resulten VBE = 0.7 V para cualquier nivel de IEmayor de O A. Para la configuracin de

emisor comn puede tomarse la misma aproximacin, resultando en el equivalenteaproximado. El resultado apoya nuestra anterior conclusin de que para untransistor en la regin "activa" o de conduccin el voltaje de base a emisor es 0.7

V. En este caso el voltaje se ajusta para cualquier nivel de la corriente de base.

c) Configuracin de Colector ComnLa tercera y ltima configuracin de transistores la de colector comn,mostrada

en la figura 15 con las direcciones apropiadas de corriente y la notacin de voltaje.La configuracin de colector comn se emplea fundamentalmente para propsitos

de acoplamiento de impedancia ya que tiene una elevada impedancia de entrada yuna baja impedancia de salida, que es lo opuesto a las configuraciones de basecomn y de emisor comn.


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Figura 15 Notacin y smbolos en la configuracin de colector comn.

La configuracin del circuito de colector comn se muestra en la figura 16 con la

resistencia de carga del emisor a tierra. Ntese que el colector est conectado atierra aun cuando el transistor est conectado de manera similar a la configuracin

de emisor comn. Desde el punto de vista de diseo, no es necesario elegir paraun conjunto de caractersticas de colector comn, los parmetros del circuito de lafigura 16. Pueden disearse empleando las caractersticas de emisor comn. Para

todos los propsitos prcticos, las caractersticas de salida de la configuracin decolector comn son las mismas que las de la configuracin de emisor comn. Enla configuracin de colector comn las caractersticas de salida son una grfica deIEversus VECpara un intervalo de valores de IB. Por ellos, la corriente de

entrada es la misma tanto para las caractersticas de emisor comn como para lasde colector comn. El eje de voltaje para la configuracin de colector comn seobtiene cambiando simplemente el signo de voltaje de colector a emisor de lascaractersticas de emisor comn. Por ltimo, hay un cambio casi imperceptible en

la escala vertical de ICde las caractersticas de emisor comn si ICse reemplaza

por IEen las caractersticas de colectorcomn (puesto que? = 1). En el circuito de

entrada de la configuracin de colector comn, las caractersticas de la base de

emisor comn son suficientes para obtener la informacin que se requiera.

Figura 16 Configuracin de colector comn empleada paraacoplamiento de impedancia


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Lmites de Operacin del Transistor.

Para cada transistor existe una regin de operacin sobre las caractersticas, lacual asegurara que los valores nominales mximos no sean excedidos y la seal

de salida exhibe una distorsin mnima. Una regin de este tipo, se ha definidopara las caractersticas de transistor de la figura 17. Todos los lmites de operacinse definen sobre una tpica hoja de especificaciones de transistor.

Algunos de los lmites se explican por s mismos, como la corriente mxima decolector (denominada, por lo general, en la hoja de especificaciones, como

corriente continuade colector) y el voltaje mximo de colector a emisor (abreviadaa menudo como IC y VCEO) Para el transistor de la figura 17, IC mxse

especific como de 50 mA y VCEO como de 20 V. La lnea vertical de lascaractersticas definida como VCEsatespecifica la mnima VCEque puedeaplicarse sin caer en la regin no lineal denominada regin de saturacin.

Figura 17: Limites del transistor

El nivel de VCEsatest regularmente en la vecindad de los 0.3 V especificadopara este transistor. El mximo nivel de disipacin se define por la siguiente

ecuacin:

2.0) PC mx = VCE * IC .

Para el dispositivo de la figura 17, la disipacin de potencia de colector seespecific como de 300 mW. Surge entonces la cuestin de cmo graficar la curva

de disipacin de potencia de colector especificada por el hecho de que PC mx =VCE * IC = 300 mW. En cualquier punto sobre las caractersticas el producto deVCE e IC debe ser igual a 300 mW. Si elegimos para ICel valor mximo de 50

mA y lo sustituimos en la relacin anterior, obtenemos que VCE = 6 V.

Si las curvas de caractersticas no estn disponibles o no aparecen en la hoja deespecificaciones (como ocurre con frecuencia), uno simplemente debe estar

seguro que IC , VCE ysu producto caigan dentro del intervalo que aparece en lasiguiente ecuacin:

ICEO ? IC ? ICmx; VCE sat? VCE ? VCEmx y VCE * IC ?Pcmx.


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Punto de operacin Q o punto Quiescente.El anlisis o diseo de un amplificador de transistor requiere del conocimiento de

la respuesta del sistema, tanto de cd (Continuo) como de ca (Alterno). Condemasiada frecuencia se supone que el transistor es un dispositivo mgico que

puede alcanzar el nivel de la entrada aplicada de ca sin la asistencia de una fuentede energa externa. En realidad, el nivel mejorado de potencia de salida de ca esresultado de una transferencia de energa de las fuentes aplicadas de cd. Por lo

tanto, el anlisis o diseo de cualquier amplificador electrnico tiene doscomponentes: la parte de cd y la correspondiente de ca. Afortunadamente, elteorema de superposicin es aplicable y la investigacin de las condiciones de cd

puede separarse por completo de la respuesta de ca. Sin embargo, hay que tenerpresente que durante el diseo o etapa de sntesis, la seleccin de los parmetros

para los niveles de cd requeridos afectarn la respuesta de ca, y viceversa.

El trminopolarizacines un vocablo que incluye todo lo referente a la aplicacin

de voltajes de cd para establecer un nivel fijo de corriente y voltaje. Paraamplificadores de transistor, el voltaje y la corriente de cd resultantes establecenun punto de operacinsobre las curvas caractersticas, el cual define la regin quese emplear para la amplificacin de la seal aplicada. Ya que el punto deoperacin es un punto fijo sobre las curvas caractersticas, se le conoce tambin

comopunto quiesciente(abreviado punto Q).Por definicin, quiescentesignificaquieto, inmvil, inactivo.

El nivel de cd de operacin de un transistor se controla por varios factores,incluyendo el rango de posibles puntos de operacin sobre las caractersticas del

dispositivo. Una vez que se han definido los niveles deseados de corriente yvoltaje de cd, debe construirse una red o circuito externo que establecer el punto

de operacin deseado. Cada diseo tambin determinar la estabilidad delsistema, es decir, qu tan sensible es el sistema a las variaciones de temperatura.Es deseable un circuito altamente estable y se comparar la estabilidad de

algunos circuitos de polarizacin bsicos. Para el BJT que se polarizar en suregin de operacin lineal o activa debe cumplirse:

a. La unin de base a emisor debeestar polarizada directamente (voltaje de la

reginpms positivo) con un voltaje resultante de polarizacin directa entrela base y el emisor de aproximadamente 0.6 a 0.7 V si el transistor es deSilicio.

b. La unin de base a colector debeestar polarizada inversamente (regin nms positiva), estando el voltaje de polarizacin inversa en cualquier valor

dentro de los lmites mximos del dispositivo.

[Ntese que en la polarizacin directa el voltaje en la uninp-nesp-positivo, entanto que en la polarizacin inversa es opuesto (inverso) con n-positiva. El nfasis

que se hace sobre la letra inicial debe brindar un medio que ayude a memorizar lapolaridad de voltaje necesaria.]

La operacin en las regiones de corte, de saturacin y lineal de la caractersticasdel BJT se obtienen de acuerdo con lo siguiente:1. Operacin en la regin lineal: Unin base-emisor con polarizacin directa,

Unin base-colector con polarizacin inversa

2. Operacin en la regin de corte: Unin base-emisor con polarizacin inversa.

3. Operacin en la regin de saturacin: Unin base-emisor con polarizacin

directa, Unin base-colector con polarizacin directa.


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Clculo del Punto de Operacin QEn general, lo importante es calcular los valores de voltajes y corrientes del

transistor para una polarizacin dada. Por tal motivo, se agregar la letra Q a cadauna de los trminos que se desean obtener y que son: la corriente de base IBQ; la

corriente de colector ICQ; la corriente de emisor IEQ; el voltaje base-emisorVBEQy el voltaje colector-emisorVCEQ. En la mayora de los casos, la corriente debase IBQ es la primera cantidad que se determina junto con el voltaje base

emisorVBEQ, una vez que IBQse conoce, las relaciones de las ecuaciones demalla pueden aplicarse para encontrar las restantes variables como la corriente decolectorICQ,etc. Las similitudes en los anlisis sern inmediatamente obvias y

las ecuaciones son tan similares para diversas configuraciones que una ecuacinde malla puede derivarse de otra quitando o agregando trminos.

Como se mencion con anterioridad, solo se requieren dos ecuaciones de mallapara calcular el punto Q del transistor y estas corresponden a las ecuaciones de

entrada y salida del mismo, sin embargo, tambin se necesitan las curvas deltransistor o en su peor caso el valor del HFE del transistor como mnimo. El

siguiente ejemplo nos dar una idea muy clara de las ecuaciones de malla.Para el circuito de polarizacin dado y las curvas caractersticas del transistor,calcule el punto Q.

Figura #18: Polarizacin del transistor

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